Perché esistono la materia e il nostro universo?

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L'inizio del nostro universo fu una vicenda violenta e caotica. Le particelle di materia e antimateria entravano e uscivano dall'esistenza, scomparendo in esplosioni di luce. Creati a coppie, se elettroni, neutroni, protoni e i loro equivalenti di antimateria (con cariche elettriche opposte) si toccavano, si annichilavano a vicenda, lasciando solo pura energia visibile nei lampi di fotoni. E se questo equilibrio fosse mantenuto, non ci sarebbe rimasto nulla. Non ci sarebbe nessun universo, niente noi.

Ma chiaramente non è così, e in qualche modo la materia ha prevalso, con le particelle rimanenti che hanno formato atomi, molecole e infine tutta la materia che esiste. E, cosa sorprendente, non c'è molta antimateria che possiamo trovare.

Cosa spiega questo problema di asimmetria, anche quando i calcoli sembrano puntare nella direzione opposta, richiedendo la simmetria? Un nuovo articolo del gruppo guidato dal fisico vincitore del premio Nobel Eric A. Cornell del JILA/NIST presso l’Università del Colorado Boulder, fa un passo avanti verso la risposta a questa domanda.

Il dottor Eric Allin Cornell ha condiviso il Premio Nobel per la fisica nel 2001 con Carl E. Wieman e Wolfgang Ketterle, per il loro lavoro nella sintesi del primo condensato di Bose-Einstein nel 1995. Ora, il gruppo di fisici sperimentali di Cornell al JILA ha studiato particelle fondamentali come elettroni per individuare l’asimmetria.

Nel loro nuovo studio, pubblicato su Science, il gruppo condivide una misurazione record degli elettroni, avvicinandoci alla comprensione della fonte dell’asimmetria.

Il team ha concentrato la propria attenzione sul cosiddetto momento di dipolo elettrico dell'elettrone (eEDM). L'eEDM ci dice quanto uniformemente è distribuita la carica elettrica negativa trasportata da un elettrone tra i suoi poli nord e sud. Se c'è un'irregolarità, con una misurazione di eEDM superiore a zero, ciò indicherebbe che l'elettrone non è completamente circolare ed è più a forma di uovo. Ciò, a sua volta, sarebbe la prova di un’asimmetria che potrebbe spiegare l’esistenza della materia.

Lavorando con molecole di fluoruro di afnio, il team di Cornell ha migliorato significativamente la nostra capacità di misurare l'eEDM. Sono riusciti a effettuare una misurazione 2,4 volte più precisa di quelle effettuate in precedenza.

Come spiega il comunicato stampa del National Institute of Standards and Technology (NIST), il processo prevedeva l’uso di un laser ultravioletto per strappare gli elettroni dalle molecole, creando una serie di ioni caricati positivamente, che venivano poi intrappolati.

Un campo elettromagnetico si alternava attorno alla trappola per far sì che le molecole si allineassero o non si allineassero. Sono stati poi utilizzati dei laser per misurare i livelli di energia nei due gruppi così creati. Qualsiasi differenza nei livelli indicherebbe che gli elettroni non sono simmetrici.

Per il nuovo esperimento, il team è riuscito a ottenere tempi di misurazione più lunghi rispetto a prima. Ciò, a sua volta, ha portato a una migliore sensibilità e precisione. Tuttavia non hanno notato alcun movimento nei livelli, concludendo che almeno a questo livello di precisione gli elettroni sembrano ancora circolari.

Crediti: Casey A. Cass/Università del Colorado

Interessante Engineering ha parlato con il Dr. Eric Cornell per ottenere ulteriori informazioni sui metodi del gruppo e sui risultati.

Quanto segue è stato leggermente modificato per chiarezza e flusso.

Ingegneria interessante: Perché è importante trovare prove di asimmetria?

Dr. Cornell: Sappiamo fin dall'inizio che esiste un'asimmetria e nell'asimmetria tra materia e antimateria, l'universo è composto dall'una e non dall'altra. E possiamo fondamentalmente guardare indietro nel tempo e vedere che dopo il Big Bang, nell'universo c'erano un miliardo di volte più cose di quante ce ne siano adesso. E per ogni miliardo di protoni e 1 miliardo di antiprotoni, c'erano in realtà un miliardo e un protoni, e quindi erano tutti uniti. E ciò che restava era una piccola frazione della materia e dell'antimateria rimasta dopo il Big Bang.