I neutrini mostrano come tutto possa essere nato da una simmetria violata

La Bellezza non sta nella perfezione. Nel suo romanzo “Il supplizio del legno di sandalo” il premio Nobel per la letteratura Mo Yan recita: “Nelle cose di questo mondo è preferibile tenersi lontani dalla perfezione. Prendi ad esempio la luna, una volta piena comincia a calare; quando la frutta è matura cade a terra. Una piccola mancanza assicura l’eternità.”

La “piccola mancanza” che ci assicura un’esistenza stabile e duratura è l’assenza di antimateria nell’universo. Questo perché l’interazione fra materia e antimateria porterebbe all’istantanea annichilazione di entrambe, con grande emissione di energia.

Eppure, non dovrebbe essere così. All’inizio di tutto, doveva pur esistere la “perfezione” di una totale simmetria tra la materia e l’antimateria, essendo quest’ultima una strana materia con alcune proprietà fisiche opposte a quelle della materia ordinaria. Dove è finita? Perché la sua presenza è (per fortuna) davvero così trascurabile?

È di una decina di giorni fa la pubblicazione sulla prestigiosa rivista Nature di un articolo della T2K Collaboration che racconta il risultato di un interessante esperimento riguardante le strane caratteristiche di una particella piccola ed elusiva che interagisce pochissimo con la materia: il neutrino, con la sua controparte in antimateria, l’antineutrino (T2K Collaboration – “Constraint on the matter–antimatter symmetry-violating phase in neutrino oscillations” Nature volume 580, p339–344(2020)).

I neutrini sono oggetti davvero strani. Innanzitutto, ne esistono di tre tipi, ognuno associato a una particolare particella (l’elettrone, la particella mu e la particella tau; queste ultime due vengono chiamate rispettivamente muone e tauone). Abbiamo quindi: il neutrino elettronico, il neutrino muonico e il neutrino tauonico. Tali diverse tipologie vengono definite “sapori”. Ora accade che i neutrini, spostandosi da un punto all’altro dello spazio alla velocità della luce – con una probabilità davvero infinitesima di scontrarsi con una particella di materia (anche se dovessero attraversare l’intero pianeta) –, possono modificare il loro “sapore” (oscillazione) durante il viaggio. Un po’ come se, camminando per strada con un gelato a tre gusti, uno di questi possa per magia trasformarsi in un altro dei restanti sapori.

È questo il fenomeno chiamato “oscillazione neutrinica”

L’esperimento citato analizza il volo dei neutrini e degli antineutrini fra due località situate in Giappone, Tokai e Kamioka, distanti fra loro in linea retta 295 Km. La sigla T2K sta proprio per “Tokai to Kamioka”, dal luogo di emissione dei neutrini fino a quello dove essi vengono contati sul rivelatore, installato in una miniera di Kamioka.

Il risultato dell’esperimento è legato a un aspetto fondamentale della fisica delle particelle che è quello della simmetria. Sono tre i parametri (operatori) intorno ai quali ruota questo concetto: la carica (C), la parità (P) e il tempo (T).

La carica (o meglio, la coniugazione di carica) C indaga la possibilità di una simmetria tra particella e relativa particella con carica opposta (quindi, valida per la relativa antiparticella: il caso dell’elettrone – negativo – e del relativo antielettrone (positrone) – positivo – ne è un esempio).

La parità P indaga la possibilità di una simmetria tra una particella e quella ad essa speculare, con inversione dei parametri che la caratterizzano nella direzione delle coordinate spaziali (come accade nella riflessione in uno specchio). Il tempo T indaga la possibilità di una simmetria di eventi fra opposte direzioni del tempo.

Si è visto che tali simmetrie, prese singolarmente, in alcuni processi possono essere violate. L’applicazione simultanea dei processi di inversione a tutti e tre i parametri (teorema CPT) invece dovrebbe garantire la conservazione della simmetria totale. Quindi, la descrizione di una particella con caratteristiche individuate da una assegnata direzione delle coordinate spaziali, che si muove in avanti nel tempo, dovrebbe essere equivalente alla descrizione di una relativa antiparticella (C) speculare – quindi definita da opposte direzioni spaziali (P) – che si muove indietro nel tempo (T).

Per un certo periodo, si è ritenuto che anche la simmetria fra carica C e parità P (simmetria CP) potesse essere conservata. Alcuni esperienze fondamentali hanno invece dimostrato che ciò non corrisponde al vero: la simmetria CP può essere violata. Ed è forse proprio questa violazione a salvarci.

L’esperimento della T2K Collaboration ha studiato la violazione della simmetria CP nelle oscillazioni di neutrini e antineutrini nel volo tra Tokai e Kamioka. Dopo una raccolta di ben dieci anni di dati sperimentali, l’articolo ci fornisce un risultato che, anche se in apparenza numericamente poco significativo rispetto alla mole di eventi prodotti, mostra inequivocabilmente che qualcosa non torna, in natura, nel bilancio fra materia e antimateria. Perché al rivelatore, nel processo di oscillazione tipico dei neutrini (e degli antineutrini) che ne ha cambiato il sapore da elettronico a muonico durante il viaggio, sono stati contati 90 neutrini e 15 antineutrini.

Tenendo conto che, ogni secondo, un’area del nostro corpo equivalente a quella di un pollice viene attraversata da 60 miliardi di neutrini, i numeri citati sembrano davvero miseri, per darci una certezza. Ma i neutrini sono difficili da catturare, come sappiamo. Eppure, l’esperimento garantisce che siamo al 99.7% di correttezza (quella che viene definita “a sigma 3”; per diventare certezza e non caso, occorre arrivare alla fatidica soglia del “sigma 5”).

I risultati sottolineano comunque un indizio importante riguardante il fatto che nel nostro universo ci sia uno sbilanciamento a favore della materia rispetto all’antimateria. Forse però questo da solo non è sufficiente. Affinché ci sia una prova effettiva, occorrono altri indizi, magari con qualche altro “personaggio” misterioso (particella?)presente nella cornice delittuosa che ha visto come vittima designata l’antimateria.

L’indagine va avanti. Ed è ricca di colpi di scena. Perché noi forse davvero dobbiamo la vita a una regola infranta... Citando l’aforista Mason Cooley, “se stai per infrangere una Regola d’Arte, rendi il crimine interessante.”