Antimateria

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In fisica l'antimateria è l'insieme delle antiparticelle e delle loro successive combinazioni, corrispondenti per massa alle particelle che costituiscono la materia ordinaria, ma aventi numeri quantici, come ad esempio la carica elettrica, di segno opposto. Per combinazioni di antiparticelle si intendono sia gli antielementi (o antiatomi), generati dal legame di antiparticelle, sia le antimolecole, generate dal legame chimico di antiatomi: ad esempio un atomo di "antidrogeno" è composto da un antiprotone caricato negativamente, attorno al quale orbita un positrone (antielettrone) caricato positivamente.

Laddove non è necessario specificare, si indicano comunque coi termini particella/antiparticella anche le combinazioni più complesse.

Se una particella e un'antiparticella vengono a contatto si assiste al fenomeno dell'annichilazione, ovvero si ha trasformazione della materia coinvolta in radiazione elettromagnetica sotto forma di fotoni ad alta energia (raggi gamma), oppure le particelle coinvolte si trasformano in altre coppie di particelle-antiparticelle, in ogni caso tali che la somma dell'energia totale, precedente e seguente l'evento, rimanga costante in accordo al principio di conservazione della massa-energia.

Storia[modifica | modifica wikitesto]

Il termine antimateria fu usato per la prima volta nel 1898 da Arthur Schuster in due lettere inviate alla rivista Nature[1], nelle quali speculava sulla possibile esistenza di un sistema solare costituito di antimateria in cui anche la gravità era di segno opposto, cioè repulsiva.[2]

La prima serie di ipotesi dell'esistenza dell'antimateria fu nel 1928 ad opera del fisico Paul Dirac, che dedusse l'esistenza dell'antiparticella dell'elettrone, dotata di carica positiva, quale soluzione della versione relativistica dell'equazione di Schrödinger, detta appunto equazione di Dirac. Nel 1932 Carl David Anderson diede la conferma sperimentale dell'esistenza dell'antielettrone e lo chiamò positrone, contrazione di "positive electron".[3] Charles Janet nel 1929 immaginò addirittura una tavola periodica degli elementi costituita di antimateria.[4]

Nel 1955 i fisici Emilio Segrè e Owen Chamberlain scoprirono l'antiprotone al Bevatron e nel 1959 ricevettero il premio Nobel per la fisica grazie a questa scoperta. L'anno successivo al Bevatron veniva scoperto anche l'antineutrone, dal gruppo guidato da Oreste Piccioni

Nel 1965, al CERN di Ginevra con l'acceleratore di particelle PS (Proton Synchrotron), il gruppo di ricerca condotto da Antonino Zichichi scoprì il primo nucleo di antimateria, un nucleo di antideuterio [5] , contemporaneamente a un gruppo del Brookhaven National Laboratory a New York con l'AGS (Alternating Gradient Synchrotron).

Nel 1978 ricercatori italiani e francesi guidati da Giorgio Giacomelli scoprirono nuclei di antitrizio (un antiprotone e due antineutroni) e di antielio 3 (due antiprotoni e un antineutrone). Con l'acceleratore di Serpukhov scienziati russi ottennero risultati analoghi.[6]

Nel 1997 al CERN ricercatori svizzeri, italiani, inglesi, danesi, giapponesi e brasiliani, nell'ambito della collaborazione ATHENA (ApparaTus for High precision Experiments with Neutral Antimatter; in italiano: apparato per esperimenti di alta precisione con antimateria neutra), crearono i primi atomi di anti-idrogeno, in numero di circa 50.000. La stessa collaborazione riuscì a sintetizzare il protonio, un atomo instabile composto da un protone e da un antiprotone.

Il 17 novembre 2010 nel corso dell'esperimento ALPHA, i ricercatori del CERN di Ginevra imprigionarono per la prima volta 38 atomi di anti-idrogeno per alcuni decimi di secondo.[7]

Nel 2011 il più grande nucleo (anti-elio 4, particella alfa) di antimateria mai catturato al mondo viene imprigionato nei Brookhaven National Laboratory.[8] [9]

Il 4 giugno 2011, sempre nel corso dell'esperimento ALPHA, i ricercatori del CERN sono riusciti a creare e intrappolare circa 300 atomi di anti-idrogeno per il tempo record di 1.000 secondi (oltre 16 minuti): 5.000 volte più a lungo rispetto al tempo ottenuto dallo stesso esperimento a novembre.[10]

Inoltre nel 2011 tramite il satellite Fermi Gamma-ray Space Telescope, la NASA ha rilevato che in alcuni temporali tropicali al di sopra di 15 km dalla superficie terrestre, il flusso di elettroni, scontrandosi con le molecole dell'aria, produce raggi gamma (i cosiddetti Terrestrial Gamma Ray Flash che scontrandosi a loro volta con gli elettroni dell'atmosfera producono piccole quantità di positroni.[11]

Nel gennaio 2014 al CERN, l'esperimento ASACUSA è riuscito a produrre il primo fascio di anti-idrogeno e successivamente è riuscito a identificare 80 atomi a 2.7 metri di distanza dal punto di produzione.[12][13]

Differenze tra materia ed antimateria[modifica | modifica wikitesto]

Le particelle e le antiparticelle vengono descritte da un unico oggetto matematico, cioè un campo quantizzato. L'unione tra relatività ristretta e meccanica quantistica porta necessariamente alla distinzione di componenti ad energia positiva e negativa per il campo. Una volta quantizzato il campo (le tecniche per procedere alla quantizzazione vanno sotto il nome generico di seconda quantizzazione) l'energia e la quantità di moto dei campi è data, rispettivamente, dalla somma delle energie, o delle quantità di moto, delle particelle e delle antiparticelle del sistema, nel modo seguente:

\mathcal {E}=\sum_{\vec p} E_p (\hat N_a (\vec p) + \hat N_b (\vec p) )
\vec P=\sum_{\vec p} \vec p (\hat N_a (\vec p) + \hat N_b (\vec p))

dove abbiamo indicato con \mathcal{E} l'energia del campo, con \vec P il suo impulso e con \hat N_a (\vec p) ed \hat N_b (\vec p), rispettivamente, gli operatori che forniscono il numero di particelle e antiparticelle con impulso \vec p. Analogamente la carica del campo è proporzionale alla differenza degli operatori numero: se una particella ha una certa carica, la sua antiparticella ha la carica di segno opposto. Per esempio, i leptoni carichi (elettroni, muoni e tau) hanno una carica negativa pari a -e, mentre le loro antiparticelle (positroni, antimuoni e antitau) hanno carica +e.

Come si vede, matematicamente non c'è alcuna differenza tra particelle e antiparticelle, a parte il segno della carica, che è però convenzionale, quindi un universo costituito di antiprotoni, antineutroni e positroni sarebbe comunque stabile. Uno dei problemi irrisolti della cosmologia è giustificare il fatto che l'universo sia composto per la maggior parte di particelle: naturalmente il nome "particella" e "antiparticella" è puramente convenzionale, quindi in realtà la domanda si formula meglio chiedendo il motivo per cui sono presenti decisamente più particelle "di un tipo" piuttosto che "dell'altro". Questo può essere giustificato dal fatto che alcuni "anti-atomi" hanno una vita relativamente più breve rispetto a quella degli atomi.

Annichilazione e Big Bang[modifica | modifica wikitesto]

L'antimateria ha vita breve e non può essere immagazzinata, in quanto si annichilisce al primo contatto con la materia. In base alle attuali conoscenze, non esistono quantità significative di antimateria in tutto l'universo, con l'eccezione dei piccolissimi quantitativi generati nei laboratori di fisica delle particelle presenti sul nostro pianeta, e nei processi astronomici più energetici.

Nella teoria del Big Bang, nell'universo iniziale materia e antimateria dovevano essere presenti in proporzioni uguali e di conseguenza dovettero dare luogo ad un immediato processo di annichilazione che avrebbe dovuto fare scomparire l'intero universo neoformato. Poiché questo non corrisponde alla realtà che osserviamo, si ritiene che un leggero squilibrio in favore della materia[14] (noto come violazione della simmetria CP) ha fatto sì che quest'ultima non venisse completamente annichilita, rendendo possibile la formazione dell'universo in cui viviamo attraverso il processo della bariogenesi.

Nuovi e più dettagliati sviluppi su questi aspetti, che coinvolgono le alte energie in gioco nei primi istanti dell'universo primordiale, sono attesi dagli esperimenti programmati al Large Hadron Collider del CERN di Ginevra.

Applicazioni dell'antimateria[modifica | modifica wikitesto]

Sebbene utilizzata principalmente per studiare le interazioni tra particelle elementari, l'antimateria ha anche un'applicazione tecnologica: la tomografia ad emissione di positroni, o PET, uno strumento di diagnostica medica che utilizza l'emissione di positroni per realizzare immagini degli organi interni dei pazienti, cercando tumori in base al loro metabolismo. Associata contestualmente ad una macchina TAC, si ottiene una TAC-PET, che fornisce informazioni sia anatomiche sia metabolico-funzionali degli organi ispezionati.

Antimateria come fonte di energia[modifica | modifica wikitesto]

Se una parte di antimateria si annichilisce a contatto con della materia ordinaria, tutta la massa delle particelle ed antiparticelle annichilite viene convertita in energia. Questo processo permetterebbe di ottenere enormi quantità di energia da quantità molto piccole di materia ed antimateria, al contrario di quanto avviene invece per le reazioni nucleari e chimiche, dove a parità di massa di combustibili utilizzati viene prodotta una quantità di energia molto più piccola. La reazione di 1 kg di antimateria con 1 kg di materia produce 1,8×1017 J di energia (in base all'equazione E=mc²). Per contro, bruciare 1 kg di petrolio fornisce 4,2×107 J, mentre dalla fusione nucleare di 1 kg di idrogeno si otterrebbero 2,6×1015 J. In altre parole, l'annichilazione della materia con l'antimateria produce circa 70 volte l'energia prodotta dalla fusione nucleare dell'idrogeno in elio e quattro miliardi di volte l'energia prodotta dalla combustione del petrolio.

A livello teorico, dato che l'energia prodotta dall'annichilimento materia/antimateria è nettamente superiore a quella prodotta da altri sistemi propulsivi, il rapporto tra peso del carburante e spinta prodotta sarebbe estremamente vantaggioso. L'energia ottenibile dalla reazione di pochi grammi di antimateria con altrettanti di materia sarebbe sufficiente a portare una piccola navicella spaziale sulla Luna.

Generare un singolo atomo di antimateria è immensamente difficile e dispendioso, di conseguenza non la si può considerare una fonte di energia. Per produrre antimateria sono necessari acceleratori di particelle ed enormi quantità di energia, molto superiori a quella rilasciata dopo l'annichilazione con la materia ordinaria, rendendo di fatto l'impresa energeticamente ed economicamente non conveniente. La cifra per produrre 10 milligrammi di positroni è stata stimata in 250 milioni di dollari, equivalenti a 25 miliardi di dollari per grammo.[15] La NASA fece una stima di 62.500 miliardi di dollari per produrre un grammo di antidrogeno,[16] considerandolo quindi il materiale più costoso da produrre. Secondo le stime del CERN, la produzione di un miliardesimo di grammo di antiparticelle (il quantitativo utilizzato negli esperimenti) è costato alcuni milioni di Franchi svizzeri.[17]

Se fosse possibile produrre e allo stesso tempo immagazzinare facilmente antimateria, il suo uso potrebbe estendersi anche allo smaltimento dei rifiuti compresi quelli ad elevata tossicità come le scorie nucleari con grande produzione di energia. Tuttavia, a meno che non vengano scoperte fonti naturali di antimateria (la NASA ha anche valutato la possibilità di raccogliere con campi magnetici l'antimateria che si forma spontaneamente nelle fasce di van Allen attorno alla terra o attorno ai grandi pianeti come Giove)[18], il suo possibile sfruttamento rimarrà una mera curiosità scientifica.

Sperimentazioni future[modifica | modifica wikitesto]

Nel futuro nella Stazione Spaziale Internazionale (ISS) si effettueranno esperimenti per rilevare nuclei di antielio e anticarbonio, in data ancora da stabilire.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ A. Schuster, Potential Matter.—A Holiday Dream in Nature, vol. 58, nº 1503, 1898, p. 367, DOI:10.1038/058367a0.
  2. ^ E. R. Harrison, Cosmology: The Science of the Universe, 2nd, Cambridge University Press, 2000, pp. 266, 433, ISBN 0-521-66148-X.
  3. ^ M. Kaku, J. T. Thompson, Beyond Einstein: The Cosmic Quest for the Theory of the Universe, Oxford University Press, 1997, pp. 179–180, ISBN 0-19-286196-4.
  4. ^ P. J. Stewart, Charles Janet: Unrecognized genius of the periodic system in Foundations of Chemistry, vol. 12, nº 1, 2010, pp. 5-15, DOI:10.1007/s10698-008-9062-5.
  5. ^ L. Maiani, R.A. Ricci, Symposium to Celebrate the 30th Anniversary of the Discovery of Nuclear Antimatter in Italian Physical Society Conference Proceedings, vol. 53, 1995.
  6. ^ Antimateria all'Università di Bologna
  7. ^ (EN) Antimatter experiment produces first beam of antihydrogen, CERN. URL consultato il 10 luglio 2014.
  8. ^ (IT) Antimateria, nucleo più grande catturato nei laboratori Usa, Repubblica. URL consultato il 24 aprile 2011.
  9. ^ H. Agakishiev et al., Observation of the antimatter helium-4 nucleus, 2011, arXiv:1103.3312.
  10. ^ Cern 300 atomi anti-idrogeno ‘bloccati’ per oltre 16 minuti, ANSA. URL consultato il 5 giugno 2011.
  11. ^ (EN) NASA's Fermi Catches Thunderstorms Hurling Antimatter into Space, NASA. URL consultato il 9 aprile 2011.
  12. ^ Nasce il primo fascio di antimateria: tra i «padri» uno scienziato bresciano - Corriere.it. URL consultato il 22 gennaio 2014 (archiviato dall'url originale il 22 gennaio 2014).
  13. ^ (EN) Antimatter experiment produces first beam of antihydrogen. URL consultato il 25 gennaio 2014 (archiviato dall'url originale il ).
  14. ^ Difference in direct charge-parity violation between charged and neutral B meson decays,Nature 452, 332-335
  15. ^ B. Steigerwald, New and Improved Antimatter Spaceship for Mars Missions, NASA, 14 marzo 2006. URL consultato l'11 giugno 2010.
    «"A rough estimate to produce the 10 milligrams of positrons needed for a human Mars mission is about 250 million dollars using technology that is currently under development," said Smith.».
  16. ^ Reaching for the stars: Scientists examine using antimatter and fusion to propel future spacecraft, NASA, 12 aprile 1999. URL consultato l'11 giugno 2010.
    «Antimatter is the most expensive substance on Earth».
  17. ^ Antimatter Questions & Answers, CERN, 2001. URL consultato il 24 maggio 2008.
  18. ^ J. Bickford, Extraction of Antiparticles Concentrated in Planetary Magnetic Fields, NASA. URL consultato il 24 maggio 2008.

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

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