Per qualche motivo l’universo è pieno di stelle, galassie e vita. Ma non doveva essere così.
Perché l’universo non è noioso? Potrebbe esserlo. Il numero di particelle subatomiche nell’universo è di circa 1080, un 1 con 80 zeri dopo. Se si spargessero queste particelle a caso, l’universo sarebbe solo un monotono deserto di uniformità, un vuoto sottile senza alcuna struttura più grande di un atomo per miliardi di anni luce in qualsiasi direzione. Invece, abbiamo un universo pieno di stelle e pianeti, canyon e cascate, pini e persone. C’è un’esuberante abbondanza nella natura. Ma perché tutte queste cose sono qui?
Nell’ultimo mezzo secolo i cosmologi hanno messo insieme una risposta a questa domanda, utilizzando una serie di esperimenti e strumenti di osservazione sempre più complessi. Ma, come quasi sempre accade nella scienza, questa risposta è incompleta. Ora, grazie a nuovi esperimenti di sensibilità mozzafiato, i fisici sperano di individuare un evento mai visto prima che potrebbe spiegare uno dei grandi misteri rimasti in questa storia: perché ci sia stata materia per formare cose complicate.
L’interesse del mondo che ci circonda è ancora più sconcertante quando si osserva l’universo sulle scale più grandi. Per un po’ si trova una struttura a grumi. Le stelle formano galassie, le galassie formano ammassi di galassie e questi ammassi formano superammassi e filamenti e pareti intorno a grandi vuoti cosmici quasi privi di materia.
Ma quando si ingrandisce ulteriormente, osservando parti dell’universo larghe più di 300 milioni di anni luce, tutta questa struttura svanisce. Oltre questo punto, la luce di tutte le stelle del cosmo si fonde in una macchia indistinta e l’universo appare davvero noiosamente simile in tutte le direzioni, senza caratteristiche o differenze degne di nota. I cosmologi chiamano questo punto la “fine della grandezza”.
Questo noioso paesaggio cosmico esiste perché un tempo l’universo era davvero noioso. Poco dopo il Big Bang, e per centinaia di migliaia di anni dopo, era inesorabilmente noioso. Tutto ciò che esisteva era una spessa nebbia rovente di particelle, che si estendeva per migliaia e migliaia di miliardi di chilometri e che riempiva ogni punto dell’universo in modo quasi uniforme, con minuscole differenze nella densità della materia tra un punto e l’altro.
Ma quando l’universo si espanse e si raffreddò, la gravità amplificò queste piccole differenze. Lentamente, nei milioni e miliardi di anni successivi, i luoghi dell’universo con un po’ più di materia hanno attirato ancora più materia. Ed è da qui che siamo venuti: la profusione di cose nell’universo di oggi è nata quando si è accumulata sempre più materia, trasformando quelle regioni leggermente sovra-dense in luoghi radicalmente complicati, pieni di materia sufficiente a formare stelle, galassie e noi. Sulle scale più grandi, la noia regna ancora, come dall’inizio dei tempi. Ma qui sotto, nella terra, c’è una grande varietà.
Questa storia presenta ancora alcune lacune. Innanzitutto, non è chiaro da dove provenga la materia. La fisica delle particelle richiede che qualsiasi cosa crei materia debba creare anche una quantità uguale di antimateria, conservando attentamente l’equilibrio tra le due. Ogni tipo di particella di materia ha un gemello di antimateria che si comporta come la materia in quasi tutti i modi. Ma quando una particella di materia entra in contatto con la sua controparte di antimateria, si annichiliscono a vicenda, scomparendo e lasciando dietro di sé solo radiazioni.
È esattamente quello che è successo subito dopo il Big Bang. La materia e l’antimateria si sono annichilite, lasciando il nostro universo pieno di radiazioni e una piccola quantità di materia residua, che aveva leggermente superato la quantità di antimateria all’inizio. Questa piccola discrepanza ha fatto la differenza tra l’universo che abbiamo oggi e un’eternità di tedio, e non sappiamo perché sia successo. “In qualche modo c’è stato questo piccolo squilibrio e si è trasformato in tutto, cioè in noi. Ci tengo molto a noi”, dice Lindley Winslow, fisico sperimentale delle particelle al MIT. “Abbiamo molte domande sull’universo e su come si è evoluto. Ma questa è una domanda piuttosto elementare, da scuola materna: perché siamo qui?”.
Colto in flagrante
Per rispondere a questa domanda, Winslow e altri fisici di tutto il mondo hanno costruito diversi esperimenti per cogliere la natura nell’atto di violare l’equilibrio tra materia e antimateria. Sperano di vedere questa violazione sotto forma di decadimento doppio-beta senza neutrini, un tipo di decadimento radioattivo. Al momento, questo processo è teorico: potrebbe non verificarsi affatto. Ma se si verificasse, fornirebbe una possibile spiegazione dello squilibrio tra materia e antimateria nell’universo primordiale.
Questa spiegazione si baserebbe sui neutrini, le stranezze fantasma della fisica delle particelle. Questi spettri leggeri sfrecciano nell’universo, interagendo a malapena con qualcosa. Migliaia di miliardi di neutrini attraversano costantemente ogni centimetro quadrato del vostro corpo e dell’intero pianeta Terra, ignorandovi così come ignorano il nucleo di ferro del nostro pianeta. Per fermare in modo affidabile un solo neutrino ci vorrebbe una lastra di piombo spessa un anno luce.
E i neutrini potrebbero eseguire un trucco ancora più bizzarro. Il neutrino e il suo partner di antimateria potrebbero essere la stessa cosa, rendendolo diverso da ogni altra forma di materia conosciuta e capace di annichilirsi. “Se osservassimo il decadimento doppio-beta senza neutrini, proveremmo che il neutrino è la sua stessa antiparticella”, dice Winslow. “Ci fornirebbe anche un processo che produce più materia che antimateria”.
Questo processo inizia nel cuore dell’atomo. Quando alcuni nuclei atomici instabili decadono, emettono un elettrone insieme a un antineutrino che lo controbilancia: una particella di materia e una di antimateria. Si tratta di un tipo di decadimento radioattivo molto comune, noto per ragioni storiche come decadimento beta. Molto meno comune è il decadimento doppio beta, quando un nucleo atomico emette due elettroni contemporaneamente, insieme a due antineutrini per bilanciarli.
Il decadimento a doppia beta è “uno dei processi più lunghi che abbiamo mai misurato”, afferma Winslow. Per vedere un singolo atomo subire un decadimento a doppia beta, continua la ricercatrice, dovremmo aspettare un miliardo di volte in più rispetto all’età attuale dell’universo. Ma se il neutrino è la sua stessa antiparticella, c’è la possibilità di qualcosa di ancora più raro: un decadimento a doppia beta in cui i due neutrini si annichiliscono immediatamente, lasciando solo i due elettroni senza alcuna antimateria a controbilanciarli. Questo è il decadimento doppio-beta senza neutrini.
Individuare un processo così raro sarebbe difficile, ma non impossibile, grazie al numero fenomenale di atomi presenti in oggetti di dimensioni quotidiane. In pochi grammi di materiale ci sono quasi migliaia di migliaia di miliardi di atomi. “Quindi, se si ammucchia un po’ di roba, c’è la possibilità di vedere qualcosa che accade in tempi anche più lunghi dell’età dell’universo”, dice Winslow.
Questo è l’approccio adottato dal Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE), un rivelatore sotto una montagna in Italia che sta aspettando prove del decadimento doppio beta senza neutrini. Un certo isotopo del tellurio è uno dei nuclei suscettibili al decadimento a doppia beta. CUORE lo osserva in una serie di 988 cristalli cubici di cinque centimetri di larghezza di diossido di tellurio, ciascuno collegato a un termometro altamente sensibile. L’energia combinata dei due elettroni emessi nel decadimento doppio beta senza neutrini è sempre la stessa, quindi se il decadimento avviene in un punto qualsiasi di uno di questi cristalli, quella specifica quantità di energia si depositerà nel cristallo sotto forma di calore, aumentandone la temperatura di un decimillesimo di grado Celsius.
Ma un segnale così piccolo è difficile da vedere rispetto a tutte le altre cose che potrebbero modificare la temperatura di un cristallo. Ecco perché CUORE si trova sotto una montagna: la massa della roccia che lo sovrasta lo scherma da quasi tutti i raggi cosmici. Ed è anche il motivo per cui CUORE deve essere mantenuto straordinariamente freddo, a pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto: “vince il premio per il metro cubo più freddo dell’universo conosciuto”, dice Winslow. I sensori sono così squisitamente sensibili che possono persino captare le vibrazioni delle onde che si infrangono sulla spiaggia, a 60 chilometri di distanza.
CUORE non è solo. Ci sono altri esperimenti che cercano il decadimento doppio beta senza neutrini, tra cui KamLAND-Zen, un esperimento – anch’esso sotto una montagna in Giappone – che utilizza xenon gassoso al posto dei cristalli di tellurio. Ma nessuno degli esperimenti alla ricerca del decadimento lo ha ancora visto, nonostante anni di attesa. Si prevede di aggiornare i sensori di CUORE e di aumentare il numero di cristalli utilizzati; si prevede anche di aumentare le dimensioni e la sensibilità di KamLAND-Zen. Ma il futuro di questi esperimenti è incerto.
“In linea di principio, potremmo fare esperimenti più grandi e migliori”, afferma Reina Maruyama, fisica di Yale che fa parte della collaborazione CUORE. “Si potrebbero fare 10 di quelli che abbiamo. Quindi credo che sia solo una questione di quante risorse l’umanità voglia destinare a questo esperimento”. Winslow stima che una ricerca completa richiederebbe altre due serie di miglioramenti agli esperimenti esistenti. Se questi vengono fatti e non hanno alcun risultato, dice, “allora avremo praticamente eliminato la possibilità che il neutrino sia la sua stessa antiparticella”. Se ciò accadrà, sarà la fine di una teoria promettente, ma non la fine della ricerca. I fisici hanno molte altre idee su come la materia e l’antimateria possano essersi sbilanciate. Ma trovare prove per queste idee è difficile. Alcune potrebbero essere confermate se il Large Hadron Collider, il più grande collisore di particelle del mondo, scoprisse qualcosa di inaspettato nei prossimi anni; altre teorie dipendono dalla ricerca sensibile della materia oscura, una sostanza invisibile e ipotetica, fortemente suggerita da decenni di prove, che si ritiene costituisca più dell’80% della materia dell’universo.
Alcune teorie hanno un prezzo elevato per spiegare questo squilibrio: suggeriscono che i protoni, uno dei componenti chiave dei nuclei atomici, sono instabili. Secondo queste teorie, il decadimento dei protoni richiede tempi ancora più lunghi di quelli del decadimento doppio-beta senza neutrini, in media circa un trilione di trilioni di volte più lunghi dell’età attuale dell’universo. Super-Kamiokande (detto anche “Super-K”), in Giappone, è il più grande esperimento di osservazione del decadimento dei protoni, che utilizza una vasca sotterranea di 50.220 tonnellate di acqua purissima circondata da 13.031 sensori di luce. Ai limiti della conoscenza, Super-K attende un debole lampo nell’oscurità. Non è ancora riuscito a catturare un protone in azione.
Ma qualunque sia la causa dello squilibrio tra materia e antimateria nell’universo primordiale, c’è una cosa di cui i fisici sono certi: alla fine lo spettacolo finirà. Nel corso del tempo, tutte le strutture interessanti svaniranno man mano che la materia e l’energia dell’universo si disperderanno in modo sempre più casuale. Tra qualche eone, questo porterà ancora una volta a un vuoto completamente privo di caratteristiche e questa volta sarà molto meno denso e molto più uniforme della foschia primordiale. Questo stato, noto come morte termica, sarà probabilmente il destino finale dell’universo, tra una miriade di quadrilioni di anni.
Quindi siamo fortunati: viviamo in un momento in cui l’universo è pieno di complessità e bellezza, anche se non ne comprendiamo appieno il motivo.
Adam Becker è un giornalista freelance di Berkeley, in California. Ha scritto per il New York Times, la BBC, Scientific American, Quanta, New Scientist e altre testate. È anche l’autore di What Is Real?, un affabile resoconto della storia sconosciuta della fisica quantistica.
