Antimateria

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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, ovvero si ha la 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. In determinate condizioni particelle ed antiparticelle possono originare per tempi brevissimi particelle instabili, come i mesoni, o un atomo esotico, come il positronio.

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 attivo 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 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[3] e lo chiamò positrone, contrazione di "positive electron".[4] Charles Janet nel 1929 immaginò addirittura una tavola periodica degli elementi costituita di antimateria.[5]

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 produsse il primo nucleo di antideuterio [6] , contemporaneamente al Brookhaven National Laboratory a New York con l'AGS (Alternating Gradient Synchrotron).[7]

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.[8]

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.[9]

Nel 2011 il più grande nucleo (anti-elio 4, particella alfa) di antimateria mai catturato al mondo viene imprigionato nei Brookhaven National Laboratory.[10] [11]

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.[12]

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.[13]

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.[14][15]

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:

dove abbiamo indicato con l'energia del campo, con il suo impulso e con ed , rispettivamente, gli operatori che forniscono il numero di particelle e antiparticelle con impulso . 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.

Esistenza dell'antimateria[modifica | modifica wikitesto]

L'antimateria prodotta naturalmente in piccolissimi quantitativi nei processi astronomici più energetici, o prodotta nei laboratori di fisica delle particelle presenti sul nostro pianeta, 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.

Big Bang e annichilazione[modifica | modifica wikitesto]

Secondo la teoria del Big Bang, nell'universo iniziale materia e antimateria sarebbero dovute essere presenti in proporzioni uguali e di conseguenza avrebbero dovuto dare luogo ad un immediato processo di annichilazione che avrebbe fatto scomparire l'intero universo neoformato. Poiché questo non corrisponde alla realtà che osserviamo, si ritiene che un leggero squilibrio in favore della materia[16] (noto come violazione della simmetria CP) abbia fatto sì che quest'ultima non venisse completamente annichilata, 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.

Ipotesi della gravità inversa[modifica | modifica wikitesto]

Nel mondo scientifico si ritiene possibile anche un'altra ipotesi: la gravità inversa. Secondo alcune teorie la quantità di materia e di antimateria prodotta all'origine dell'universo 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 viene 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.[17] Per comprendere questo fenomeno possiamo prendere una formula di fisica classica ben nota: la legge della gravitazione universale di Newton

Se assumiamo che l'antimateria possieda una massa negativa e la materia una massa positiva si capisce come nel caso di gravitazione tra due corpi o due anti-corpi la forza gravitazionale risulti 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 la forza gravitazionale provocherà una repulsione reciproca.

Ciò che più è intrigante in questa teoria è che spiegherebbe senza ricorrere ad energia o materia oscura alcuni fenomeni gravitazionali inattesi, quale l'espansione accelerata dell'universo o il mistero dell'asimmetria CP, che non avrebbero bisogno di nuove leggi oscure: semplicemente l'antimateria sarebbe confinata in una porzione di universo separata dalla nostra e non si potrebbe avvicinare a causa della repulsione gravitazionale.[18][19]

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.

Il Dr. John G. Cramer, del dipartimento di Fisica dell'Università di Washington Seattle, USA, e il Dr. Wilfred J. Bratihwaite dell'Università del Texas, Austin, hanno definito un metodo per rilevare e distinguere galassie e stelle di antimateria da quelle costituite di materia grazie all'elicità dei fotoni cosmici.[20]

Applicazioni dell'antimateria[modifica | modifica wikitesto]

L'antimateria ha anche un'applicazione tecnologica: la tomografia a emissione di positroni, o PET, uno strumento di diagnostica medica che utilizza l'emissione di positroni di una sostanza a rapido decadimento introdotta nell'organismo per evidenziare la presenza di tumori, la cui superiore attività metabolica rispetto ai tessuti normali determina più numerosi processi di annichilazione, con conseguente maggiore liberazione di energia evidenziata da un apparecchio rilevatore. La PET può essere associata a un'indagine TAC (PET-TC), ottenendo contemporaneamente informazioni metabolico-funzionali e morfologiche.

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 annichilate 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.[21] La NASA fece una stima di 62.500 miliardi di dollari per produrre un grammo di antidrogeno,[22] 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.[23]

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)[24], il suo possibile sfruttamento rimarrà una mera curiosità scientifica.

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. ^ Carl D. Anderson - Facts, su www.nobelprize.org. URL consultato il 5 gennaio 2016.
  4. ^ 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.
  5. ^ 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.
  6. ^ 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.
  7. ^ (EN) Dorfan, D. E., et al., Observation of Antideuterons, in Phys. Rev. Lett., vol. 14, nº 24, giugno 1965, pp. 1003-1006, DOI:10.1103/PhysRevLett.14.1003.
  8. ^ Antimateria all'Università di Bologna
  9. ^ (EN) Antimatter experiment produces first beam of antihydrogen, CERN. URL consultato il 10 luglio 2014.
  10. ^ (IT) Antimateria, nucleo più grande catturato nei laboratori Usa, Repubblica. URL consultato il 24 aprile 2011.
  11. ^ H. Agakishiev et al., Observation of the antimatter helium-4 nucleus, 2011, arXiv:1103.3312.
  12. ^ Cern 300 atomi anti-idrogeno ‘bloccati' per oltre 16 minuti, ANSA. URL consultato il 5 giugno 2011.
  13. ^ (EN) NASA's Fermi Catches Thunderstorms Hurling Antimatter into Space, NASA. URL consultato il 9 aprile 2011.
  14. ^ Nasce il primo fascio di antimateria: tra i «padri» uno scienziato bresciano - Corriere.it, brescia.corriere.it. URL consultato il 22 gennaio 2014 (archiviato dall'url originale il 22 gennaio 2014).
  15. ^ (EN) Antimatter experiment produces first beam of antihydrogen, home.web.cern.ch. URL consultato il 25 gennaio 2014 (archiviato dall'url originale il ).
  16. ^ Difference in direct charge-parity violation between charged and neutral B meson decays,Nature 452, 332-335
  17. ^ M. Villata, CPT symmetry and antimatter gravity in general relativity, 2011, EPL (Europhysics Letters) 94, 20001
  18. ^ M. Villata, On the nature of dark energy: the lattice Universe, 2013, Astrophysics and Space Science 345, 1. Anche disponibile qui
  19. ^ M. Villata, The matter-antimatter interpretation of Kerr spacetime, 2015, Annalen der Physik 527, 507. Anche disponibile qui
  20. ^ John G. Cramer Wilfred J. Braithwaite, Distinguishing between Stars and Galaxies Composed of Matter and Antimatter Using Photon Helicity Detection, researchgate.net.
  21. ^ 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.».
  22. ^ 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».
  23. ^ Antimatter Questions & Answers, CERN, 2001. URL consultato il 24 maggio 2008.
  24. ^ J. Bickford, Extraction of Antiparticles Concentrated in Planetary Magnetic Fields (PDF), NASA. URL consultato il 24 maggio 2008.

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

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