Spargerea simetriei - detaliu minuscul, dar esenţial în edificiul întregului Univers

Multă vreme s-a considerat că întreaga materie din Univers este la fel ca aceea pe care o avem la îndemână în experienţa directă, pe Pământ, dar, în radiaţiile ce provin din spaţiul cosmic, cercetătorii au descoperit o materie diferită de cea de pe Pământ. Antimateria are multe asemănări cu materia obişnuită, dar are şi unele caracteristici opuse. Strădania pentru dezvăluirea originii şi a proprietăţilor antimateriei continuă de mai bine de patru decenii. Unele rezultate semnificative dezvăluie răspunsuri la unele întrebări fundamentale privitoare la Universul în care trăim.

Astăzi se cunoaşte că lucrurile materiale, indiferent dacă ne referim la un gaz mai uşor decât aerul, sau la o piatră, sau la altceva material, toate sunt făcute din atomi. Pe baza datelor cercetării fundamentale, s-a putut alcătui o listă a particulelor care compun materia pe care o atingem sau o simţim, în diverse forme, în lumea înconjurătoare. Această listă a constituenţilor nu este lungă. Este adevărat, chimia distinge mai bine de 100 de tipuri de atomi, care, prin diverse combinaţii, formează cărămizile tututor substanţelor lumii sensibile. Însă, toţi aceşti atomi sunt, la rândul lor, alcătuiţi doar prin combinaţiile a trei particule: protonul, neutronul şi electronul. Un timp s-a crezut că materia din întregul Universul, sorii, planetele şi asteroizii, de gheaţă, rocă sau metal, au în structura lor doar atomi din această materie cunoscută la nivel terestru, cu protoni, neutroni şi electroni.

Raţiunea omului a prevăzut existenţa antimateriei

Pornind de la rezultatele unei ecuaţii care îi poartă numele, P.A.M. Dirac (laureat al Premiului Nobel pentru fizică în 1933) a prevăzut că, în afara acestei materii cunoscute de om prin intermediul experienţei directe, există şi alt fel de materie. Aceasta, deşi are multe asemănări cu materia obişnuită, este totuşi opusă în multe dintre caracateristicile ei, motiv pentru care a primit denumirea de antimaterie. În mod remarcabil, soluţiile lui Dirac s-au adeverit, pentru că, la puţin timp după aceea, în radiaţiile cosmice a fost detectat pozitronul, prima particulă de antimaterie!

Pozitronul este antiparticula electronului sau antielectronul. El are masa similară cu cea a electronului, dar sarcina electrică este pozitivă, spre deosebire de electron, care are sarcină negativă. Dar nu toate caracteristicile antiparticulelor sunt opuse (sau diferite). Spre exemplu, masa unui bulgăre de antimaterie nu este negativă şi nici gravitaţia lui nu este repulsivă. Mai mult, combinaţia dintre un antiproton şi un antielectron va forma antiatomul de antihidrogen (tot aşa cum protonul şi electronul formează atomul de hidrogen), căruia legile cunoscute ale fizicii atomice îi vor prezice aproape aceleaşi proprietăţi ca şi ale atomului de hidrogen! Deoarece interacţiunile se manifestă identic şi pentru particule şi antiparticule, teoretic, cel puţin, pot exista şi molecule de antimaterie.

Unde a dispărut antimateria?

Pe Pământ, însă, nu există antimaterie în stare naturală. Atomii care alcătuiesc substanţele de pe Terra sunt compuşi din protoni, neutroni şi electroni şi niciodată din antiparticulele lor. Mai mult, exceptând antiparticulele detectate în radiaţiile cosmice (antiprotonii şi pozitronii), antimateria nu a fost nicăieri întâlnită în stare liberă, lipsind, de asemenea, şi orice dovadă despre existenţa vreunei surse cosmice de antimaterie.

Legile fizicii, utilizate în descrierea formării Universului, prevedeau, potrivit simetriei, o egalitatea cantitativă între materia şi antimateria din Univers. Dar, dacă materia şi antimateria a fost produse într-o cantitate egală, atunci ele ar trebui să fie dispuse în regiuni îndepărtate una de cealaltă. Altfel, contactul dintre materie şi antimaterie ar fi produs evenimente extrem de violente, care ar fi lăsat „urme“ în Universul observabil. Observaţiile arată că astfel de urme nu există. „Dacă în galaxia noastră ar fi existat regiuni mari de antimaterie, ne-am aştepta să observăm cantităţi mari de radiaţii de la graniţele dintre regiunile de materie şi antimaterie, unde particulele s-ar fi ciocnit cu antiparticulele lor, anihilându-se reciproc şi eliminând radiaţie de înaltă energie. Nu avem dovezi directe că materia din alte galaxii este formată din protoni şi neutroni sau antiprotoni şi antineutroni, dar (...) nu poate fi un amestec într-o singură galaxie, deoarece atunci ar trebui să observăm o cantitate mare de radiaţii din anihilări.“ (Stephen W. Hawking, „Scurtă istorie a timpului. De la Big Bang la Găurile Negre“, Editura Humanitas, 2006, p. 97)

Materia şi antimateria nu se comportă la fel

Potrivit datelor acumulate până acum, pare tot mai probabil că în Universul observabil nu există o cantitate de antimaterie echivalentă cu cea a materiei. Rezultatele sugerează că undeva, în trecut, s-a produs mai puţină antimaterie decât materie (invalidarea simetriei). Explicaţia pentru care s-a ajuns la dezechilibrul actual între materie şi antimaterie stă în unele rezultate potrivit cărora legile fizicii nu sunt chiar exact aceleaşi pentru particule şi pentru antiparticule, încât, în anumite momente, mecanismele de producere a materiei şi a antimateriei nu au mers exact la fel (ruperea de simetrie).

Premiul Nobel în 2008

Invalidarea simetriei legilor materiei şi ale antimateriei a fost în centrul atenţiei comitetului Nobel pentru Fizică, în acest an. În urmă cu 3 zile, s-a anunţat faptul că Makoto Kobayashi (64 de ani, profesor emerit la High Energy Accelerator Research Organisation din Tsukuba, Japonia), Toshihide Maskawa (68 de ani, profesor emerit la Institutul Yukawa pentru Fizică Teoretică de la Universitatea Kyoto) şi Yoichiro Nambu (87 de ani, profesor emerit la Institutul Enrico Fermi al Universităţii Chicago din SUA) au câştigat Premiul Nobel pentru Fizică în 2008.

Premiul s-a acordat pentru descoperirea originii şi mecanismului ruperii de simetrie. Aceste rezultate, la care cercetătorii lucrează încă din anii â60, au fost confirmate experimental în 2001. În cadrul a două experimente independente, au fost utilizate două detectoare de particule (BaBar, de la Stanford - SUA, şi Belle, Tsukuba - Japonia), prin intermediul cărora s-a putut pune în valoare ruperea simetriilor. Rezultatele au fost exact cele prezise de cei trei profesori, cu trei decenii în urmă.

Un detaliu fin de la temelia Universului nostru

Această rupere a simetriei pare să explice şi dezechilibrul între materie şi antimaterie din Univers. La formarea Universului nu s-au produs cantităţi egale de materie şi antimaterie, ci a avut loc un mic dezechilibru, încât, la fiecare 10 miliarde de antiparticule (antimaterie), particulele materiei (care formează protonul, neutronul, electronul) au fost cu una mai mult! Unii cercetători afirmă că, în situaţia în care cele două cantităţi de materie şi antimaterie din Univers ar fi fost egale, lumea nu ar fi putut exista. Potrivit estimărilor, toată materia s-ar fi anihilat cu antimateria, chiar la începutul Universului, şi ar fi lăsat un spaţiu gol, cu radiaţie, dar aproape fără materie. În acest caz, nu ar mai fi existat nici galaxii, nici stele sau planete. (Stephen W. Hawking, „Scurtă istorie a timpului. De la Big Bang la Găurile Negre“, p. 98 şi Michael Petri, „On the origin of the matter-antimatter asymmetry in self-gravitating systems at ultra-high temperatures“, May 2004, p. 1-2, text în format electronic, disponibil la adresa www.arxiv.org)

Ruperea de simetrie pare să fi determinat existenţa cosmosului aşa cum îl vedem astăzi. Cercetătorii recompensaţi au reuşit să descrie teoretic o parte dintre mecanismele care duc la ruptura de simetrie, însă modul în care acest fapt s-a produs rămâne încă insuficient cunoscut. Speranţele se îndreaptă spre acceleratorul de particule de la CERN, Geneva, care are tehnologia adecvată şi poate dezvolta energiile necesare dezvăluirii mecanismului ruperii de simetrie.