Antiparticella

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Una antiparticella è una particella elementare che, rispetto ad un'altra particella, è caratterizzata dalla stessa massa,[1] ma da numeri quantici (come carica elettrica o numero barionico) opposti.

Ad esempio, il positrone, antiparticella dell'elettrone, ha la sua stessa massa, ma carica elettrica opposta. Alcune particelle, come il fotone, hanno carica elettrica ed altri numeri quantici tutti nulli. In questi casi, particella ed antiparticella coincidono. Ciò non è vero per tutte le particelle elettricamente neutre. Ad esempio, l'antineutrone ed il neutrone sono particelle diverse poiché hanno numero barionico diverso da zero, ma rimangono comunque la prima l'antiparticella della seconda.

Le antiparticelle sono prodotte nelle interazioni tra particelle con la trasformazione di energia in massa, come previsto nella teoria della relatività. Ad esempio, nelle reazioni nucleari, nell'interazione dei raggi cosmici con i nuclei delle molecole presenti in atmosfera, o in interazioni prodotte da acceleratori di particelle. L'antimateria interagisce molto velocemente se viene a contatto con la materia ordinaria che le circonda con un fenomeno chiamato annichilazione nel quale la massa della particella e dell'antiparticella che interagiscono si trasformano di nuovo in energia. Per questo motivo, quando creata in laboratorio, l'antimateria resta osservabile solo per tempi molto brevi.

Cenni storici[modifica | modifica sorgente]

Nel 1928 Paul Dirac realizza una trattazione della meccanica quantistica che, estendendo l'equazione di Schrödinger, tiene conto della teoria della relatività di Albert Einstein. La nuova equazione, che prenderà il nome di equazione di Dirac, prevede come soluzioni elettroni con energia negativa. Questi stati furono inizialmente interpretati con un modello (sbagliato) di "buche" e di "lacune" che potesse spiegare la loro manifestazione in natura. Nel 1931, Dirac concluse che i nuovi oggetti previsti dal suo modello erano particelle elementari che viaggiavano al ritroso nel tempo, ovvero, in maniera equivalente, elettroni con carica elettrica opposta, che per questo chiamò positroni.

Nel 1932 Carl David Anderson individuò, tra i sottoprodotti delle collisioni dei raggi cosmici i positroni previsti da Dirac.

Nel 1955, Emilio Segre e Owen Chamberlain, a Berkeley, scoprirono l'antiprotone, e per questo vinsero il Premio Nobel per la fisica nel 1959.

Nomenclatura[modifica | modifica sorgente]

Il simbolo usato per indicare un'antiparticella, di solito, è lo stesso usato per la particella corrispondente, ma con una barra di sovrascrittura. Ad esempio, il protone è indicato con una "p", e l'antiprotone è indicato da \bar{\mbox{p}} (una "p" con una barretta posta in cima). In alternativa, quando una particella è indicata con la sua carica, l'antiparticella viene indicata con la carica opposta (es.: e^{+} ed e^{-} rappresentano rispettivamente positrone ed elettrone).

nome particella simbolo particella simbolo antiparticella nome antiparticella
elettrone e^{-} \frac{}{} e^{+} \frac{}{}  antielettrone (positrone)
muone \mu \frac{}{} \mu^{+} \frac{}{}  antimuone
quark q \frac{}{} \bar {q}  antiquark
neutrino muonico \nu_{\mu} \frac{}{} \bar {\nu_{\mu}}  antineutrino muonico

Il simbolo è usato in analogia alla coniugazione di un numero complesso. Questo non è un caso, perché la coniugazione della carica di una particella, che cambia tale particella nella sua antiparticella, è legata alla coniugazione della sua funzione d'onda.

Annichilazione particella-antiparticella[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Annichilazione.
Diagramma di Feynman di una oscillazione di un kaone. Una linea retta rossa si trasforma in una viola, mostrando un kaone che si trasforma in antikaone. In un medagiole è presentato lo zoom della regione dove la linea cambia colore. Il medagione mostra che la linea non è retta, ma piuttosto che nel punto in cui il kaone si trasforma in antikaone la linea rossa si spezza in due linee curve corrispondenti nell'annichilazione di due pioni virtuali.
Un esempio di una coppia di pioni virtuali che influenza la propagazione di un kaone, causando la miscela del kaone neutro con l'antikaone. Questo è un esempio di applicazione di teoria dei campi, necessaria perché i numeri quantici delle particelle cambiano durante la transizione.

Se la particella e l'antiparticella sono nello stato quantico appropriato, allora queste possono annichilarsi l'un l'altra e produrre altre particelle. Reazioni come l'annichilazione in due fotoni di una coppia elettrone-positrone:

e^+ + e^- \rightarrow \gamma + \gamma

sono un esempio di questo fenomeno. L'annichilazione in un singolo fotone di una coppia elettrone-positrone non è possibile nello spazio libero perché è impossibile conservare energia e momento insieme in questo processo. Tuttavia, in un campo di Coulomb di un nucleo l'invarianza traslazionale è rotta e può occorrere una annichilazione in un singolo fotone.[2] La reazione inversa (nello spazio libero, senza nucleo atomico) è anche impossibile per questa ragione. Nella teoria dei campi questo processo è consentito solo come stato quantico intermedio per tempi piccoli abbastanza che la violazione della conservazione di energia può essere inserita nel principio di indeterminazione. Questo apre la via per la produzione e l'annichilazione di coppie di particelle virtuali in cui uno stato quantico a una particella può fluttuare in due particelle e ritornare quindi allo stato originario. Questi processi sono importanti nello stato di vuoto e nella rinormalizzazione di una teoria di campo. Si apre anche la possibilità per costituire particelle neutrali a partire da processi di composizione analoghi, che sono un complicato esempio della rinormalizzazione della massa.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ (EN) IUPAC Gold Book, "antiparticle"
  2. ^ L. Sodickson, W. Bowman, J. Stephenson, Single-Quantum Annihilation of Positrons in Physical Review, vol. 124, nº 6, 1961, pp. 1851–1861, Bibcode:1961PhRv..124.1851S, DOI:10.1103/PhysRev.124.1851.

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

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