L’antimateria è una forma di materia molto simile alla materia ordinaria, di cui rappresenta una sorta di corrispondente speculare. Le particelle di antimateria, dette “antiparticelle”, sono infatti identiche in massa alle corrispondenti particelle, ma hanno alcuni numeri quantici (tra cui la carica elettrica) di segno opposto. L’incontro tra una particella e la sua antiparticella produce un fenomeno noto come “annichilazione”, che porta alla conversione completa di entrambe le particelle in energia, secondo la nota equazione relativistica E = mc².
La teoria dell’antimateria è stata inizialmente proposta dal fisico britannico Paul Dirac nei primi anni ’30 dello scorso secolo, come conseguenza delle equazioni che descrivono il comportamento degli elettroni nella meccanica quantistica. La prima conferma sperimentale dell’esistenza dell’antimateria è stata ottenuta invece nel 1932 dal fisico Carl Anderson con la scoperta del positrone, antiparticella dell’elettrone.
La pressoché totale assenza dell’antimateria nell’universo rappresenta uno dei problemi aperti più importanti della fisica contemporanea.
Le teorie cosmologiche attualmente accettate prevedono infatti che il big bang dovrebbe avere prodotto uguali quantità di materia e antimateria, ma per qualche ragione a oggi sconosciuta l’antimateria è quasi totalmente scomparsa, a vantaggio della materia.
La generazione dell’asimmetria tra materia e antimateria nell’universo richiede, tra le altre cose, che le interazioni fondamentali distinguano le particelle dalle antiparticelle. La simmetria che scambia particelle e antiparticelle nel Modello Standard, che prende il nome di CP, non può quindi essere esatta. La violazione di CP è in effetti presente nel Modello Standard ed è stata osservata nelle oscillazioni e nei decadimenti deboli dei mesoni (stati legati quark-antiquark) a partire dagli anni ’60. Tuttavia la quantità di violazione di CP non è sufficiente a spiegare l’asimmetria tra materia e antimateria nell’universo, che punta quindi all’esistenza di “nuova fisica”.
L’antimateria ha portato anche allo sviluppo di applicazioni molto importanti, per esempio in medicina, dove è impiegata in particolare nella tecnica diagnostica di imaging PET (tomografia a emissione di positroni), che sfrutta proprio i fotoni emessi dall’annichilazione tra positroni ed elettroni per creare immagini dettagliate di alcuni organi del corpo umano.
La teoria quantistica dei campi è il quadro teorico usato per descrivere le particelle elementari e prevederne il comportamento. Sviluppata a partire dagli anni ’20 del secolo scorso, la teoria quantistica dei campi unisce in un quadro coerente i principi della meccanica quantistica e della relatività ristretta.
Il Modello Standard è la teoria che descrive le particelle elementari che costituiscono la materia e le forze fondamentali.
I neutrini sono particelle subatomiche neutre ed estremamente leggere, che interagiscono debolmente con la materia: per questo motivo, riuscire a rivelarli rappresenta una sfida sperimentale molto complessa.
Il 4 luglio 2012, nel corso di uno storico seminario al CERN di Ginevra, fu annunciata la scoperta del bosone di Higgs, l’ultimo tassello mancante del modello standard delle particelle elementari.
Il modello standard descrive in modo soddisfacente il comportamento delle particelle elementari e di tre delle quattro forze fondamentali della natura, tuttavia non è una teoria completa: per citare solo alcune delle sue lacune, non descrive l’interazione gravitazionale, non spiega la natura della materia oscura e dell’energia oscura, l’asimmetria tra materia e antimateria e l’oscillazione dei neutrini.