Antimateria

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.
Antimateria
Panoramica
Annichilazione
Dispositivi
Antiparticelle
Usi
Gruppi di ricerca
Persone

In fisica l'antimateria è la materia costituita da antiparticelle, corrispondenti per massa alle particelle della materia ordinaria, ma aventi alcuni numeri quantici, come ad esempio la carica elettrica, di segno opposto. Le leggi che governano le combinazioni di antiparticelle a formare gli antielementi (o antiatomi) e le antimolecole sono simmetriche a quelle che governano la materia.

Quando una particella e un'antiparticella vengono a contatto si assiste al fenomeno dell'annichilazione: o 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, tali che la somma dell'energia totale, precedente e seguente l'evento, rimanga costante in accordo al principio di conservazione della massa-energia.

Sebbene si ritenga che in origine materia ed antimateria si equivalessero, nell'universo attuale è rilevabile antimateria in quantità esigua, di cui una parte prodotta dagli esperimenti, in tempi brevissimi annichilata dalla materia. La ragione che ha portato alla prevalenza della materia è oggetto di studio.

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 fosse di segno opposto, cioè repulsiva.[2]

La prima serie di ipotesi dell'esistenza dell'antimateria fu posta nel 1928 dal 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 conferma sperimentale dell'esistenza dell'antielettrone e lo chiamò positrone, contrazione di "positive electron".[3] Charles Janet nel 1929 immaginò una tavola periodica degli elementi costituita di antimateria.[4]

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

Nel 1965 un gruppo di ricerca condotto da Antonino Zichichi al CERN di Ginevra con l'acceleratore di particelle PS (Proton Synchrotron) 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: apparato per esperimenti di alta precisione con antimateria neutra), crearono i primi circa 50.000 atomi di anti-idrogeno. 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 fu 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 col 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 molecole d'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 riuscì a produrre il primo fascio di anti-idrogeno e successivamente 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 sono descritte da un unico oggetto matematico, 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 chiedendosi per quale motivo siano 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, poichè 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.

Secondo la 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 neoformatosi. Poiché NON successe (siamo qui), si ritiene che un leggero squilibrio in favore della materia[14] (noto come violazione della simmetria CP) abbia fatto sì che quest'ultima non fosse 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.

Si ritiene possibile anche un’altra ipotesi: la gravità inversa. Secondo alcune teorie, la quantità di materia e di antimateria prodotta all'origine era perfettamente bilanciata, ma la materia e l’antimateria si sono presto allontanate a causa di una sorta di “repulsione gravitazionale”.  Per spiegare questo fenomeno si può usare un esempio classico: la mela cade sulla Terra per attrazione gravitazionale reciproca (infatti anche la Terra è in minima parte attratta dalla mela), allo stesso modo un’ipotetica anti-mela cade su un’ipotetica anti-Terra per una reciproca attrazione che potremmo chiamare anti-gravitazionale (speculare a quella gravitazionale). A questo punto è spontaneo chiedersi che cosa succederebbe se si ponesse un’anti-mela nei pressi della Terra o una mela nei pressi di un’anti-Terra: secondo questa teoria i due corpi subirebbero una forza repulsiva che li porterebbe ad un allontanamento. Per comprendere questo fenomeno possiamo prendere una formula di fisica classica, la legge della gravitazione universale di Newton {\displaystyle F=G (m_1*m_2)/(d^2)}

Se assumiamo che l’antimateria possieda una massa negativa e la materia una massa positiva, si capisce che nel caso di gravitazione tra due corpi o due anti-corpi la forza gravitazionale risulta positiva, ossia attrattiva, ma quando si ha una gravitazione tra un corpo ed un anti-corpo il prodotto tra le due masse sarà negativo, e dunque anche la forza gravitazionale che provocherà una repulsione reciproca.

Ciò che più è intrigante in questa teoria è che spiega senza ricorrere ad energia o materia oscura alcuni fenomeni gravitazionali inattesi, quale la rapida espansione dell’universo, ben più consistente di quanto ci si aspettasse. Inoltre tale teoria risolve il mistero dell’asimmetria CP senza introdurre nuove leggi oscure: semplicemente l’antimateria è confinata in una porzione di universo separata dalla nostra e non si può avvicinare a causa della repulsione gravitazionale.

Un’immagine utile a comprendere questi fenomeni può essere la stessa utilizzata da Einstein per far comprendere la relazione tra gravità e curvatura dello spazio-tempo, ma con qualche aggiunta. Immaginate una rete molto fitta e ben tesa ai lati: se vi si appoggia una palla da bowling si incurva molto, se ci si mette un pallone da basket si incurva meno. Se, dopo aver messo un corpo pesante sulla rete, aggiungo un piccolo corpo leggero (una pallina da tennis) essa tenderà a precipitare verso il corpo pesante. Se io invece metto sotto la rete un palloncino d’elio la rete si incurverà verso l’alto tanto più quanto maggiore sarà la forza che il palloncino vi imprimerà (che è proporzionale al volume del palloncino). Se dopo aggiungo un palloncino più piccolo questi tenderà a precipitare verso il palloncino più grande, esattamente come la pallina da tennis precipitava verso la palla da bowling. Ora immaginiamo di aver posizionato sopra la rete una palla da bowling e sotto la rete un piccolo palloncino: il palloncino tenderà ad allontanarsi dalla palla da bowling esattamente come una pallina da tennis tenderebbe ad allontanarsi da un grande palloncino. Dunque nel macrocosmo un corpo ed un anti-corpo di cariche elettriche neutre tendono al reciproco allontanamento.

Alla dimostrazione di queste teorie lavora il progetto AEgIS all'opera al CERN di Ginevra (CH) gestito in collaborazione con l’IIF e il Politecnico di Milano.

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 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 la materia ordinaria, tutta la massa delle particelle ed antiparticelle annichilite è 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 nelle reazioni nucleari e chimiche, dove a parità di massa di combustibili utilizzati è 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.

Il razzistica speculativa, 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 sconveniente. La cifra da spendere per produrre 10 milligrammi di positroni è stata stimata in 250 milioni di dollari, cioè 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, comprese le scorie nucleari, con grande produzione di energia. Tuttavia, a meno che non vengano scoperte fonti naturali di antimateria (i perdigiorno della NASA hanno 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 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.

Media[modifica | modifica wikitesto]

Uno dei numerosi universi del multiverso DC Comics, Terra-Tre o Terra invertita, è formato da antimateria e molti eventi storici avvengono al contrario (es. Cristoforo Colombo è americano e scopre l'Europa), i supereroi sono malvagi (es. Ultraman, controparte malvagia di Superman) e, viceversa, i "cattivi" combattono per la Terra (es. Lex Luthor).

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]

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Altri progetti[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]

Controllo di autorità GND: (DE4142686-1
fisica Portale Fisica: accedi alle voci di Wikipedia che trattano di fisica