Trappole per gli anti-atomi

Sulla storia della scoperta dell'antimateria mi sono già soffermato, per cui non ripeto tutto il discorso, se non il ruolo centrale avuto dall'equazione di Dirac nel prevedere la sua esistenza e guidare verso la sua scoperta. Quello di cui voglio brevemente scrivere quest'oggi è un altro recupero dai miei archivi, in questo caso legati all'intrappolamento dell'antimateria, o per essere più precisi degli anti-atomi.
In generale è stato osservato che un atomo costituito da una particella e da una antiparticella risulta instabile: il loro legame, infatti, si rompe in un tempo dell'ordine dei microsecondi (10^-6 secondi, un 1 preceduto da 6 zeri prima della virgola). Per cui l'idea di realizzare un anti-atomo vero e proprio, cioè costituito completamente da antiparticelle, risultava molto intrigante, considerando che in questo caso ci si aspettava un legame più stabile. Ed effettivamente, sotto le opportune condizioni, è stato possibile catturare l'anti-idrogeno e farlo sopravvivere prima per un tempo di circa 172 ms (millisecondi, 10^-3 secondi), quindi per ben 1000 secondi! A compiere questa incredibile impresa è stata, tra il 2010 e il 2011, la collaborazione ALPHA del CERN presso l'LHC. Nel rilevatore della collaborazione sono stati fatti interagire degli antiprotoni con dei positroni e si è visto un po' cosa è successo a partire dallo studio delle tracce lasciate dalle particelle all'interno del rilevatore.
Sempre nel 2011 la collaborazione STAR preso il RHIC, un acceleratore di particelle che si trova nei dintorni di New York, è riuscita a compiere un'impresa analoga, ma con un atomo leggermente più pesante: l'elio. In questo caso, però, si parla di osservazione dell'anti-elio, ma tutto questo, in qualche modo, potrebbe supportare l'affascinante idea di un universo di antimateria che si sta sviluppando dall'altra parte della freccia del tempo.
Peccato che questa, al momento, è solo un'idea fantascientifica, non avendo ancora alcuna solida prova a supporto.

ALPHA Collaboration (2010). Trapped antihydrogen. Nature, 468(7324), 673-676. doi:10.1038/nature09610

ALPHA Collaboration (2011). Confinement of antihydrogen for 1,000 seconds. Nature Physics, 7(7), 558. doi:10.1038/nphys2025

STAR Colaboration (2011). Observation of the antimatter helium-4 nucleus. Nature, 473(7347), 353. doi:10.1038/nature10079

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.

Profumo di particelle

Direi che oggi pomeriggio è stato un bel respirare, al Palazzo Brera. Cristina Lazzeroni dell'Università di Birmingham è venuta alle 18 (come avevo scritto nel post precedente) per raccontare del bosone di Higgs, del modello standard e di materia e antimateria. E' una sperimentale presso l'esperimento LHCb al CERN, l'esperimento dedicato proprio alla ricerca su uno dei grandi misteri dell'universo: perché in esso c'è un eccesso di materia (e d'altra parte se non fosse così, non ci sarebbe nemmeno stata la sua conferenza oggi pomeriggio, per esempio!). Ha raccontato molto bene una materia interessante, che è stata sulla bocca di tutti nel luglio 2012 e, soprattutto, in un modo molto semplice ma non banale. Ha utilizzato delle analogie estremamente azzeccate, in alcuni casi anche provando a mimare i comportamenti delle particelle e mi sembra giusto scrivere i complimenti che già le ho espresso di persona. Infatti, come mi aveva gentilmente chiesto Stefano Sandrelli, sono stato presente alla conferenza non solo per il profumo di particelle, ma anche per eventualmente intervenire in caso di domande teoriche. Per fortuna non è stato il caso, altrimenti avrei rischiato di svuotare la sala per la noia (il rischio c'è stato, visto che è spuntata la teoria delle stringhe...): era piena, come spesso avviene in queste belle occasioni, con, come al solito, gente in piedi ad ascoltare con grande attenzione, forse anche maggiore rispetto a una conferenza scientifica, una di quelle serie che si fanno nei congressi dei ricercatori, per intenderci.
Forse l'aspetto più "nuovo" di cui Cristina ha raccontato è proprio l'asimmetria tra materia e antimateria, che è stata ulteriormente confermata da LHCb nel 2013:

Il bosone Z' e la fenomenologia di un picco

Mettetevi comodi: è un lungo viaggio quello che stiamo per intraprendere. Parte dai bosoni W e Z, mediatori della forza debole, per poi portarci nello studio dei loro decadimenti al Tevatron, l'acceleratore del FermiLab e alla recente osservazione di un picco, per ora solo gaussiano, nei dati rilevati dalla collaborazione CDF. Al momento, seguendo Tommaso Dorigo, direi che ci sono due spiegazioni principali: un nuovo bosone, denominato Z', che potrebbe spiegare una parte dell'asimmetria materia-antimateria oltre ad essere il mediatore dell'interazione tra materia oscura e materia ordindaria, oppure un effetto dovuto alla nostra scarsa conoscenza del decadimento adronico del W.

Innanzitutto introduciamo i così detti dijet⁽¹⁾. Sono molto importanti nello studio dei bosoni W e Z, la cui scoperta frutto a Rubbia il Nobel in Fisica. I processi che vengono studiati sono le interazioni WW, WZ, ZZ sia attraverso i decadimenti leptonici, sia attraverso lo studio di jet adronici. L'esistenza di questi due canali è dovuta al fatto che mentre la segnatura del decadimento del W^- è la produzione di una coppia neutrino-leptone

mentre il W⁺, così come lo Z decade producendo un leptone e due jet adronici.
L'importanza nello studiare questi decadimenti sta nel legame che questi bosoni, che sono in particolare le particelle che mediano, trasportano l'interazione debole, hanno con il famosissimo bosone di Higgs. E sono in particolare i decadimenti che coinvolgono il W⁺ e lo Z , e quindi i jet adronici ad essere importanti per la rilevazione dell'Higgs⁽²⁾.

E sono anche tra i più difficili da rilevare.
Impegnato in questa rilevazione c'è il Tevatron, l'acceleratore statunitense del FermiLab, e in prima linea c'è la collaborazione CDF. Un primo esame delle interazioni WW e WZ avvenuto a fine 2009⁽³⁾ ha successivamente portato alla pubblicazione nel 2010 su PRL⁽⁴⁾. Iniziamo a dare un'occhiata ai grafici presentati in quell'occasione:

In entrambi i grafici si possono apprezzare alcune zone dove i dati rilevati dalla collaborazione si trovano ben sopra alla ricostruzione delle interazioni avvenute grazie alle simulazioni Monte Carlo. Queste simulazioni sono molto importanti nella fisica sperimentale delle alte particelle e il motivo è molto semplice: è grazie ad esse che gli sperimentali sono in grado di valutare il contributo della fisica nota alle collisioni studiate. Questo vuol dire che, nell'esame dei dati raccolti, la routine dello sperimentatore è quella di far girare righe di codice che tritura per ore e ore i puntini raccolti dall'acceleratore e poi sputa la sua sentenza, che poi dovrà ulteriormente essere raffinata con altri codici ancora prima per verificare se ci sono altri effetti di fisica nota che si è trascurato e poi per vedere se potrebbe esserci qualcosa di interessante nei dati⁽¹⁾.