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lunedì 17 giugno 2019

La scoperta dell'antimateria

Dopo le grandi scoperte di elettrone, neutrone, neutrino e protone, oggi proverò a raccontare l'avventura dell'antimateria. Come dice il nome stesso, questa è costituita da particelle che in qualche modo sono anti-. Abbiamo infatti l'antielettrone, l'antineutrone, l'antineutrino, l'antiprotone e così via. A differenza delle particelle che costituiscono la materia, la scoperta delle antiparticelle è stata guidata dalla teoria e dalle previsioni teoriche di uno dei fisici più chiusi e riservati di tutti i tempi: Paul Dirac.
L'equazione dei quanti relativistica

Karl Pearson - via commons
Più o meno sin da subito l'idea di molti fisici teorici fu quella di mettere insieme la relatività di Albert Einstein con la meccanica quantistica. Lo stesso Einstein aveva questo obiettivo ambizioso, anche se il suo intento era quello di mostrare che il mondo alla base di quello descritto quantisticamente era nuovamente deterministico come quello di tutti i giorni.
Il punto di partenza di tale unione, però, era la relatività speciale: l'idea era quella di determinare un'equazione relativistica equivalente a quella di Schrodinger in grado di descrivere le particelle che si muovono a velocità prossime a quella della luce. Fu proprio questa idea che portò al concetto moderno di antimateria.
Un'idea non dissimile, infatti, era già stata espressa da William Hicks in una serie di articoli usciti tra il 1879 e il 1883: Hicks era stato l'ideatore della teoria dei vortici, che portata nel contesto della forza di gravità prevedeva l'esistenza di una materia negativa(7). Un po' più raffinata, invece, l'idea di Karl Pearson, che suggerì l'esistenza degli squirt e dei sink, rispettivamente particelle di materia normale e materia negativa all'interno del flusso di etere. Il modello di Pearson, nonostante prevedesse l'uso di questo ipotetico etere, che successivamente si dimostrò inesistente, prevedeva una quarta dimensione affinché l'etere stesso potesse fluire dentro con i sink (affondo) e fuori con gli squirt (schizzi)(1).
Il termine antimateria venne utilizzato per la prima volta da Arthur Shuster nel 1898 su Nature(2): egli ipotizzava l'esistenza tanto di antiatomi quanto di interi sistemi stellari di antimateria e discusse della possibilità dell'annichilazione di materia e antimateria. Quella di Shuster era, però, una semplice discussione speculativa, senza alcuna proposta matematica, senza dimenticare che la sua antimateria, così come quelle che l'avevano preceduta, possedeva anche una gravità negativa.

Paul Dirac
Per arrivare al moderno concetto di antimateria bisogna arrivare, come anticipato all'inizio, al XX sexolo e in particolare al 1928 con l'articolo di Paul Dirac(5). Questi in un certo senso era una risposta all'articolo del 1926 di Oskar Klein(3) e Walter Gordon(4) dove introducevano quella che è oggi nota come equazione di Klein-Gordon e che aveva la pretesa di descrivere un elettrone libero relativistico. In realtà l'equazione descrive particelle relativistiche prive di spin, come il pione o come il bosone di Higgs. L'equazione di Dirac, invece, descrive particelle relativistiche di spin semi-intero, come l'elettrone. L'equazione, però, prevedeva anche l'esistenza di stati a energia negativa, che vennero interpretati dallo stesso Dirac come particelle di antimateria(6) (in effetti Dirac non utilizzò mai tale termine).
Produrre antimateria

La prima foto di un positrone - via commons
La prima osservazione di un'antiparticella avvenne nel 1932 da parte di Carl Anderson, fisico statunitense che chiamò la particella scoperta positrone, una crasi di positive electron, elettrone positivo(8).
Sebbene oggi siamo ancora ben lontani dalla tavola periodica di antimateria preconizzata da Charles Janet nel 1929, nel corso dei decenni successivi sono stati osservati gli antiprotoni nel 1955 da Emilio Segrè e Owen Chamberlain presso i laboratori di Berkeley(9) (per questa scoperta vinsero il premio Nobel nel 1959); gli antineutroni nel 1956 presso il Bevatron da un team guidato da Bruce Cork; gli antinuclei, il primo dei quali, il nucleo dell'antideuterio, venne prodotto nel 1965 dal Proton Synchrotron del CERN da un gruppo guidato da Antonino Zichichi(10). Sempre al CERN venne prodotto nel 1995 l'anti-idrogeno. L'esperimento uilizzò il LEAR, Low Energy Antiproton Ring (un acceleratore realizzato proprio allo scopo di studiare gli antiprotoni) sotto la guida di Walter Oelert e Mario Macri(11). Da allora il CERN ha varie volte annunciato miglioramenti nella produzione dell'anti-idrogeno fino al record del 2011 che ha visto la cattura di ben 309 atomi di anti-idrogeno che sono rimasti stabili prima di decadere per un tempo di 1000 secondi(13) (all'incirca 17 minuti).
Ciò che, però, potrebbe essere interessante è cercare di mettere un po' di numeri sulla quantità di antimateria che l'LHC sarebbe in grado di produrre: secondo una stima del 2010 l'acceleratore sarebbe in grado di produrre 10 milioni di antiprotoni al minuto(12). Supponendo di poter produrre un atomo di anti-idrogeno a partire da ciascun protone, sarebbero necessari all'incirca 100 miliardi di anni per produrre un grammo di anti-idrogeno, corrispondente a una mole, ovvero a $6.02 \times 10^{23}$ atomi di anti-idrogeno. Il tutto in barba a Dan Brown e al suo Angeli e demoni!
Il grande mistero della coppia che scoppia
Le leggi della fisica funzionano perfettamente, ma non prevedono in alcun modo che l'universo debba essere un posto speciale. Il fatto che le equazioni della fisica prevedano un posto anche per l'antimateria implica che in qualche modo questo universo di materia è da ritenersi un posto speciale, o più plausibilmente deve esserci un qualche meccanismo a noi ancora ignoto che ha rotto la simmetria tra materia e antimateria, permettendo al nostro universo di formarsi.
La ricerca di una spiegazione a tale asimmetria si svolge in due campi differenti: uno tra gli acceleratori di particelle, alla ricerca di violazioni significative in una qualche simmetria della natura nel decadimento dei barioni più esotici; l'altro tra le stelle, dove gli astronomi sono alla ricerca di galassie costituite da antimateria, che potrebbero allora essere le tracce di zone di universo costituite esclusivamente da antiatomi e nettamente separate dall'universo di materia.
Nell'attesa di risolvere il dilemma, vi lascio con quella che è chiamata l'interpretazione di Feynman–Stueckelberg, proposta nel 1948 da Richard Feynman(15) a partire da un lavoro del 1941 di Ernst Stueckelberg(14): le antiparticelle non sarebbero altro che particelle regolari che viaggiano indietro nel tempo. E questa interpretazione, nei diagrammi di Feynman, funziona tremendamente bene!
  1. Pearson, K. (1891). Ether squirts. American Journal of Mathematics, 13(4), 309-362. doi:10.2307/2369570 (jstor
  2. Schuster, A. (1898). Potential Matter.—A Holiday Dream. Nature, 58(1503), 367. doi:10.1038/058367a0 
  3. Klein, O. (1926). Quantentheorie und fünfdimensionale Relativitätstheorie. Zeitschrift für Physik, 37(12), 895-906. doi:10.1007/BF01397481
    Klein, O. (1926). The atomicity of electricity as a quantum theory law. Nature, 118(2971), 516. doi:10.1038/118516a0 
  4. Gordon, W. (1926). Der comptoneffekt nach der schrödingerschen theorie. Zeitschrift für Physik, 40(1-2), 117-133. doi:10.1007/BF01390840 
  5. Dirac, P. A. M. (1928). The quantum theory of the electron. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character, 117(778), 610-624. doi:10.1098/rspa.1928.0023 (jstor
  6. Dirac, P. A. M. (1930). A theory of electrons and protons. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing papers of a mathematical and physical character, 126(801), 360-365. doi:10.1098/rspa.1930.0013 (jstor
  7. Kragh, H. (2002). The vortex atom: A Victorian theory of everything. Centaurus, 44(1‐2), 32-114. doi:10.1034/j.1600-0498.2002.440102.x 
  8. Anderson, C. D. (1932). The apparent existence of easily deflectable positives. Science, 76(1967), 238-239. doi:10.1126/science.76.1967.238
    Anderson, C. D. (1933). The positive electron. Physical Review, 43(6), 491. doi:10.1103/PhysRev.43.491 
  9. Segrè, E. (1960). Nuclear properties of antinucleons. Science, 132(3418), 9-14. doi:10.1126/science.132.3418.9 
  10. Massam, T., Muller, T., Righini, B., Schneegans, M., & Zichichi, A. (1965). Experimental observation of antideuteron production. Il Nuovo Cimento A (1965-1970), 63(1), 10-14. doi:10.1007/BF02814251 
  11. Gabrielse, Gerald; et al. (ATRAP Collaboration) (1996). "The production and study of cold antihydrogen" (pdf). CERN: 1–21. No. SPSLC-I-211. 
  12. Madsen, N. (2010). Cold antihydrogen: a new frontier in fundamental physics. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 368(1924), 3671-3682. doi:10.1098/rsta.2010.0026 
  13. ALPHA Collaboration (2011). Confinement of antihydrogen for 1,000 seconds. Nature Physics, 7(7), 558. doi:10.1038/nphys2025 
  14. Stueckelberg, Ernst (1941), "La signification du temps propre en mécanique ondulatoire." Helv. Phys. Acta 14, pp. 322–323. 
  15. Feynman, R. P. (1948). Space–Time Approach to Non-Relativistic Quantum Mechanics. Reviews of Modern Physics. doi:10.1103/RevModPhys.20.367 

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