Quando gli opposti si incontrano, perché materia e antimateria finiscono per annientarsi a vicenda?

Uno dei grandi misteri dell'Universo è la questione della mancanza di simmetria tra materia e antimateria. Durante il Big Bang si sarebbe dovuta creare una quantità identica di materia e antimateria, ma non è ciò che vediamo oggi. Nell'Universo la materia sembra aver superato la quantità di antimateria ed è per questo che finiamo per vedere molti più oggetti fatti di materia e quasi nessuno fatto di antimateria.

L'antimateria è un tipo di materia formata da antiparticelle che sarebbero una simmetria delle particelle come le conosciamo. Ogni antiparticella ha la stessa massa e lo stesso spin della particella corrispondente, la grande differenza sta nella carica. Mentre un elettrone ha una carica negativa, un antielettrone chiamato positrone ha una carica positiva. Lo stesso vale per il protone e l'antiprotone, che hanno cariche opposte.

La cosa curiosa dell'antimateria è che quando un'antiparticella e una particella si incontrano, può verificarsi un processo chiamato annichilazione. Durante questo processo, i due componenti si annichilerebbero a vicenda, formando altre particelle come fotoni o anche altre particelle dotate di massa. Ma cosa succede in questo processo e in che modo favorisce uno dei più grandi misteri dell'Universo?

Antimateria

L'antimateria comprende atomi formati da antiparticelle. Le antiparticelle sono simili alle particelle in quasi tutte le caratteristiche tranne che per la carica. Ogni particella ha un'antiparticella che differisce da essa solo per la carica, ad esempio l'elettrone ha un'antiparticella chiamata positrone che è simile all'elettrone in tutto e per tutto ma ha una carica positiva.

Poiché le antiparticelle differiscono solo in termini di carica, le interazioni conosciute che governano la dinamica delle particelle descrivono anche le antiparticelle. In questo modo è possibile che gli atomi antiparticella si formino nello stesso modo in cui le particelle formano gli atomi. Tuttavia, uno dei misteri della fisica è che l’antimateria non si trova in natura così facilmente come la materia.

Annichilazione

Quando una particella e la sua rispettiva antiparticella si incontrano, possono interagire e finire per annichilarsi a vicenda. Il processo si chiama annichilazione e descrive come una particella e un'antiparticella possono distruggersi a vicenda e convertire la massa in energia. La descrizione dell'annichilazione è governata dall'equazione di Einstein nota come E = mc² dove massa ed energia sono correlate.

Durante il processo di annichilazione vengono generalmente prodotti fotoni ad alta energia come le radiazioni gamma. È possibile che particelle dotate di massa vengano generate in altre interazioni particella-antiparticella. Tuttavia, il modo in cui le due componenti interagiranno dipende da una funzione di probabilità e da caratteristiche come la quantità di moto delle particelle. Poiché l'annientamento è un'alta probabilità che accada considerando le proprietà.

Generazione di antimateria

Nonostante la mancanza di simmetria e la presenza di antimateria nell'Universo, in alcuni eventi essa viene prodotta sia naturalmente che artificialmente. Nell'Universo viene prodotto naturalmente in eventi energetici come le supernovae o quando i raggi gamma interagiscono con la materia. Durante questi eventi energetici si producono coppie di materia e antimateria.

L’antimateria può anche essere prodotta sulla Terra con esperimenti con acceleratori di particelle. Quando i protoni vengono accelerati all'interno degli acceleratori e finiscono per scontrarsi con altre particelle, durante l'urto possono generare antimateria. È comune che nel processo negli acceleratori vengano generati positroni e antiprotoni.

Mistero nell'universo

Uno dei più grandi misteri dell'Universo è la mancanza di simmetria tra materia e antimateria, questo mistero è chiamato asimmetria barionica. Utilizzando i modelli attuali, durante il Big Bang si sarebbe dovuta formare una quantità identica di materia e antimateria. Nonostante ciò, le osservazioni che abbiamo attualmente e del passato dell’Universo mostrano che la materia è predominante.

Ciò porta alla domanda su cosa sia successo all'antimateria durante l'evoluzione dell'Universo e soprattutto nei primi istanti. Ad oggi, non esiste una spiegazione definitiva per l’asimmetria barionica. Una delle idee è la violazione della parità di carica che, secondo lei, potrebbe significare che le antiparticelle potrebbero comportarsi diversamente dai loro componenti. Tuttavia, la violazione non è sufficiente a spiegare la scomparsa di tutta l’antimateria.

Ipotesi più curiosa

Molti fisici lavorano sulla questione di cosa sia successo all’antimateria e negli ultimi decenni sono state proposte diverse ipotesi. Forse la cosa più curiosa sarebbe che una regione dello spazio sarebbe dominata dalla materia mentre l’altra sarebbe dominata dall’antimateria. In questo caso ci troveremmo in una regione dove tutto è fatto di materia.

Tuttavia, questa ipotesi dice che dovremmo osservare regioni di annichilazione di materia e antimateria che formano raggi gamma. Ad oggi non è stato osservato alcun evento del genere, il che significa che, se esiste, è molto lontano da noi. Un’altra ipotesi potrebbe essere che in tutto l’Universo esistano solo pochi ammassi di antimateria distanti e sparsi.