Viviamo in un mondo fatto di materia. Banale? Nient’affatto. Le cose sarebbero potute andare molto diversamente. E oggi vivremmo in un anti-mondo, un mondo fatto di antimateria, dove nei cavi elettrici scorrono positroni invece che elettroni, dove tutto, compresi gli esseri umani, è fatto di anti-atomi. Pur essendo uno scenario possibile, le cose non sono andate così, e una ragione doveva pur esserci. Ora, dopo 10 anni di ricerche, i fisici del Cern di Ginevra affermano di averla trovata, nascosta in un fenomeno mai osservato prima: la violazione diretta della simmetria CP da parte del kaone neutro.
La scoperta è frutto di un progetto di ricerca internazionale, chiamato NA48, che ha coinvolto 16 laboratori europei, sei dei quali italiani. “L’Italia ha avuto un ruolo determinante in tutte le fasi del progetto: dalla messa a punto dei dispositivi di misura, alla raccolta dei dati sperimentali, alla loro elaborazione”, sottolinea Flavio Costantini, coordinatore del gruppo di 50 fisici appartenenti alle università di Pisa, Cagliari, Ferrara, Firenze, Perugia e Torino. La soddisfazione è più che comprensibile. I risultati presentati la settimana scorsa a Pisa al convegno Kaon2001, organizzato dall’Istituto nazionale di fisica nucleare, sembrano fornire la risposta definitiva a uno dei segreti più intimi della natura: perché il mondo che conosciamo è fatto di materia e non di antimateria.
Tutta la materia è fatta di atomi, e gli atomi sono fatti a loro volta di particelle. A ogni particella corrisponde una antiparticella, del tutto identica all’originale ma con carica elettrica di segno opposto. Esiste l’elettrone, per esempio, che ha carica negativa. Ed esiste la sua controparte, il positrone, con carica positiva. Accanto alla materia, esiste quindi l’antimateria e, circa 13 miliardi di anni fa, il Big Bang creò uguali quantità dell’una e dell’altra. Ma particelle e antiparticelle hanno problemi di convivenza: quando si incontrano, si annichilano, cioè si disintegrano trasformandosi in energia pura. Così, subito dopo il Big Bang, materia e antimateria avrebbero dovuto annientarsi a vicenda, in un grande fuoco d’artificio. E invece, grazie a una lieve asimmetria, la materia ha prevalso sull’antimateria, generando le stelle, le galassie, i pianeti.
Per scoprire come sia accaduto, per dieci anni i fisici del Cern di Ginevra hanno analizzato il comportamento di una particolare particella subatomica, il kaone neutro. I dati raccolti dimostrano senza incertezze che esiste una piccola differenza nelle velocità di decadimento dei kaoni neutri e delle rispettive antiparticelle. “Questa differenza”, dice Costantini, “spiega perché la materia ha avuto la meglio sull’antimateria. E dimostra che la violazione diretta della simmetria CP è una realtà: un risultato ritenuto molto importante per la fisica delle particelle”.
La violazione della simmetria CP è il fenomeno fisico attraverso cui la natura dimostra di preferire la materia all’antimateria. Le lettere P e C indicano due particolari operazioni di simmetria. C è chiamata coniugazione di carica e rappresenta l’operazione di scambio di una particella con la sua antiparticella. P è chiamata parità e rappresenta l’operazione di riflessione delle coordinate spaziali. La combinazione delle due operazioni di simmetria, indicata con CP, equivale a osservare un sistema fisico allo specchio, dopo avere scambiato ogni particella del sistema con la sua corrispondente antiparticella. Se il sistema non cambia, si dice che la simmetria CP è conservata, altrimenti si dice che è violata. Per lungo tempo i fisici hanno creduto che la simmetria CP fosse sempre conservata nelle interazioni fra particelle. Ma non è così.
La violazione della simmetria CP fu osservata già nel 1964 nei laboratori statunitensi di Brookhaven. L’esperimento valse ai suoi autori il premio Nobel e dimostrò che, in un caso su mille, i kaoni neutri a vita lunga, dopo aver attraversato alcuni stati intermedi, decadono in due pioni, violando la simmetria CP. “L’importanza dei nostri risultati”, spiega Costantini, “consiste nell’aver dimostrato con margini di errore assolutamente trascurabili che è possibile anche una violazione “diretta” della simmetria CP. Una volta su un milione, il kaone neutro decade in due pioni senza passare attraverso stati intermedi. E questo fenomeno, almeno per il momento, è l’unico in grado di spiegare perché il mondo che conosciamo sia fatto di materia e non di antimateria”.
