Quantità significative di anti-idrogeno sono state realizzate mescolando
positroni e anti-protoni a bassa energia grazie a un deceleratore di particelle
di Irene Prunai
Nel best seller di Dan Brown “Angeli e Demoni”, i cattivi rubano l’anti-materia
dai laboratori del Cern allo scopo di far saltare in aria il Vaticano. È solo
una storia ma oggi, dopo il successo della scoperta del Bosone di Higgs, il Cern
segna un altro punto a suo favore riuscendo a ingabbiare degli atomi di
anti-idrogeno per un tempo brevissimo ma sufficiente per cominciare a darci
delle risposte. Possiamo rassicurare il Papa che sono troppo pochi per farne una
bomba, ma abbastanza per far tremare, forse, un giorno, la teoria della
relatività speciale di Einstein. È il risultato dell’esperimento Asacusa guidato
dal fisico giapponese Kuroda e al quale partecipano anche ricercatori italiani
dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn). Gli esiti dell’esperimento,
pubblicati sulla rivista Nature Communications, ci daranno ora la possibilità di
studiare l’anti-materia, cioè quella materia in cui le particelle hanno la
stessa massa ma carica elettrica opposta rispetto alla materia di cui è fatto il
nostro universo. Per capirci meglio pensiamo a un atomo con i
suoi elettroni, dotati di carica elettrica negativa, e i suoi protoni,
con carica positiva. Un anti-atomo sarà costituito da anti-elettroni, o
positroni, dotati di carica elettrica positiva, e da anti-protoni di carica
negativa. Un po’ come guardare il nostro mondo allo specchio.
Al momento del Big Bang materia e anti-materia si sono prodotte nella
stessa quantità, però oggi noi viviamo in un universo fatto di materia mentre
dell’anti-materia apparentemente non è rimasto più nulla. Questa sorta di
disparità, che viene chiamata in fisica “asimmetria materia-antimateria”, è un
rompicapo che dà del filo da torcere ai fisici delle particelle di tutto il
mondo.
L’esperimento:
sono state prodotte quantità significative di anti-idrogeno mescolando positroni
e anti-protoni a bassa energia grazie a un deceleratore di particelle. La
difficoltà dell’esperimento consiste nel tenere lontane materia e anti-materia
perché un contatto porterebbe al reciproco annullamento dando origine a energia.
Per fare ciò tutti gli esperimenti finora realizzati hanno sfruttato le
proprietà magnetiche dell’anti-idrogeno usando dei campi magnetici per
intrappolare gli anti-atomi. Così facendo però le particelle risultavano
fortemente perturbate. L’importanza di questo esperimento sta nel fatto che è
stata sviluppata una nuova tecnica che permette la produzione di antiparticelle
in modo da poterle studiare in “volo” lontano dai campi magnetici. In questo
modo le misure risultano più “pulite”.
Idrogeno e anti-idrogeno
Breve storia dell’anti-materia:
nel 1905 Albert Einstein propose la teoria della relatività ristretta secondo la
quale nessun segnale può superare la velocità della luce. Negli anni ’20 i
fisici tedeschi Schrodinger e Heisenberg inventarono la teoria quantistica per
cui l’energia e la materia si presentano come multipli di quantità minime. La
loro teoria però non era relativistica. Nel 1928 il fisico inglese Paul Dirac
risolse il problema proponendo un’equazione che unificava le due teorie. C’era
però qualcosa che ancora non tornava. Conti alla mano dall’equazione spuntava
fuori un elettrone con energia negativa e un elettrone con energia positiva. Fu
così che si arrivò alla conclusione che per ogni particella dovesse esistere una
corrispondente anti-particella di massa uguale ma carica opposta. Nacque quindi
il problema di osservare queste anti-particelle. Nel 1932 venne confermata
sperimentalmente l’esistenza dell’anti-elettrone, mentre dobbiamo aspettare fino
al 1959 per vedere l’anti-protone. Da allora sono stati fatti passi da gigante
e, come già detto, oggi il Cern di Ginevra è in grado di intrappolare e quindi
di “interrogare” gli anti-atomi.
Applicazioni dell’anti-materia:
usata per studiare le interazioni tra particelle elementari, l’antimateria ha
anche altre applicazioni. Per esempio in campo medico con la “Tomografia ad
emissione di positroni”, o PET, che è uno strumento di diagnostica che usa
l’emissione di positroni per la diagnosi dei tumori. Per quanto riguarda la
produzione di energia, invece, siamo ancora
nell’ambito della fantascienza alla Star Trek. In realtà gli scienziati
sanno benissimo che tramite l’annichilamento, cioè la reazione di annullamento
che avviene se materia e anti-materia entrano in contatto, si produce energia.
Ma per il motore a curvatura di tempo dovrà passarne ancora molto.