Materia e antimateria: una simmetria perfetta?

Un nuovo studio condotto dalla collaborazione BASE del CERN conferma l’assenza di asimmetria tra protoni e antiprotoni

Rappresentazione del sistema BASE per lo studio dell'antiprotone. Crediti: Stefan Sellner/Fundamental Symmetries Laboratory/RIKEN

Rappresentazione del sistema BASE per lo studio dell'antiprotone. Crediti: Stefan Sellner/Fundamental Symmetries Laboratory/RIKEN

Elisa Nichelli 19 ottobre 2017

Nessuna differenza tra protoni e antiprotoni. Questo il responso di uno studio guidato dai fisici della collaborazione Base del Cern, che hanno misurato con precisione mai raggiunta prima il momento magnetico degli antiprotoni, ovvero una specie di “forza magnetica”. I dati raccolti dai ricercatori non forniscono dunque nessuna indicazione sul motivo per cui, nell’Universo primordiale, particelle e antiparticelle non si sono distrutte a vicenda. Questo risultato lascia aperto l’enigma dello squilibrio tra materia e antimateria. Lo studio, pubblicato sull’ultimo numero della rivista Nature, riguarda il confronto delle proprietà magnetiche di protoni e antiprotoni. Tra le componenti studiate, il momento magnetico è quello che fornisce informazioni sulla forza del campo magnetico della particella ed è misurato dal cosiddetto fattore-g. «La questione fondamentale è se l’antiprotone abbia o meno lo stesso comportamento magnetico del protone», spiega Stefan Ulmer, portavoce della collaborazione e coautore dello studio. «Questo è il mistero che dobbiamo risolvere». Il team aveva presentato risultati relativi al fattore-g dell’antiprotone già a gennaio del 2017, ma la misura recente è 350 volte più precisa. «Un miglioramento così grande in così poco tempo è stato ottenuto grazie all’applicazione di metodi completamente nuovi», dice Ulmer.


Gli antiprotoni vengono prodotti al Cern in maniera artificiale e sono poi confinati per esperimenti successivi. Gli antiptotoni analizzati durante la ricerca sono stati isolati nel 2015, per essere poi studiati tra il mese di agosto 2015 e il dicembre del 2016. Questo lasso di tempo rappresenta il periodo di stoccaggio più lungo mai registrato per l’antimateria. L’isolamento prolungato (405 giorni in tutto) è stato possibile grazie alla creazione di un ambiente estremamente rarefatto, 10 volte meno ricco di particelle rispetto allo spazio interstellare. In tutto sono stati studiati 16 antiprotoni, portati a temperature molto vicine allo zero assoluto, ovvero -273 gradi Celsius. Il metodo utilizzato sfrutta l’interazione tra due trappole di Penning, il che ha permesso di migliorare le misure grazie a un campo magnetico più omogeneo. «Abbiamo utilizzato un metodo sviluppato presso l’Università di Mainz, che ci ha garantito una maggiore precisione nelle misure», racconta Ulmer. «Abbiamo lavorato su questo tipo di analisi per dieci anni. La svolta è arrivata con l’idea di eseguire una misurazione con due particelle».


Il fattore-g misurato per l’antiprotone è stato confrontato con quello del protone, che i ricercatori del team avevano misurato con grande precisione già nel 2014. La sostanziale consistenza delle due misure è una conferma della simmetria tra particelle e antiparticelle. «Tutte le nostre osservazioni verificano una totale simmetria tra materia e antimateria, e dunque il nostro Universo non dovrebbe esistere», commenta Christian Smorra, primo autore dell’articolo. «Un’asimmetria deve emergere da qualche parte, ma per ora non capiamo dove sia». Gli scienziati della collaborazione Base hanno intenzione di continuare col proprio lavoro, sviluppando nuovi metodi e migliorando ancora la precisione delle misure, per cercare di trovare una soluzione a questo enigma della fisica moderna.