Antimatter factory

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Autrice: Elena Floris
(Liceo Scientifico Galileo Ferraris di Varese, tra le vincitrici di “Un giorno da ricercatore 2015” con l’articolo “Oltre il genoma”)

Una gita al CERN per degli studenti di quinta liceo è come per dei bambini un tour in una fabbrica di cioccolato. A Novembre ho avuto la fortuna di poter visitare con la mia classe alcuni ambienti del noto centro di ricerca, tra cui l’Antimatter Factory. Lì abbiamo capito cos’è l’antimateria, che forse a qualcuno sembrava solo un’affascinante parola presa da un film di fantascienza, e come si “cattura”.

IMG_20160109_142434Come le entrate e le uscite, come il positivo e il negativo, la materia e l’antimateria sono uguali ma hanno cariche di segno opposto e si distruggono a vicenda, trasformando la loro massa in radiazione elettromagnetica, nel processo detto di annichilazione. Si chiamano antiparticelle proprio per la capacità di annichilarsi incontrando le rispettive particelle.

L’esistenza dell’antimateria fu predetta per la prima volta nel 1928, quando il fisico inglese Paul Dirac trovò un’equazione che combinava la teoria quantistica e la relatività speciale per descrivere il comportamento di un elettrone che si muove a velocità relativistiche. L’equazione poneva un problema: proprio come l’equazione x^2 =4 può avere due possibili soluzioni (x=2 o x=-2), così l’equazione di Dirac poteva avere due soluzioni, una per un elettrone con energia positiva, e una per un elettrone con energia negativa.

Per passare dalla teoria all’evidenza sperimentale occorse aspettare il 1932, anno in cui Carl Anderson, studiando i raggi cosmici in una camera a nebbia, rilevò una traccia lasciata da “qualcosa carico positivamente, e con la stessa massa di un elettrone”. Aveva trovato l’antiparticella dell’elettrone, che chiamò positrone. Per molti anni a seguire I raggi cosmici rimasero l’unica fonte di particelle ad alta energia e l’esistenza dell’antiprotone fu confermata sperimentalmente ben 22 anni dopo quella del positrone.

IMG_20160109_142823Ma come si produce l’antimateria? Le antiparticelle possono essere prodotte facendo interagire ad altissima energia le particelle “normali” con materiali di alto numero atomico (come ad esempio il tungsteno). Nel caso degli elettroni, quando uno di essi si scontra con un nucleo, che è carico positivamente, viene fortemente deflesso, causando l’emissione di un fotone ad alta energia, che a sua volta, nel campo di un nucleo, può con notevole probabilità creare una coppia elettrone-positrone. Con delle lenti magnetiche è poi possibile raccogliere i positroni e guidarli per esempio verso un acceleratore, per poi farli collidere e annichilare con un fascio di elettroni provenienti dalla direzione opposta.

Produrre antiprotoni è invece più complicato. Al CERN attualmente esiste un Antiproton Decelerator (AD) che produce antiprotoni a bassa energia per gli studi sull’antimateria. Il punto di partenza è un fascio di protoni provenienti dal Proton Synchrotron, che viene lanciato contro un blocco di metallo. Con l’energia della collisione si riesce a creare un nuovo paio protone-antiprotone soltanto dopo circa un milione di collisioni.

Gli antiprotoni prodotti viaggiano quasi alla velocità della luce a hanno troppa energia per essere utilizzati per formare antiatomi e in più si muovono a caso in ogni direzione. Il compito del AD è trasformare queste particelle indisciplinate in un utile fascio a bassa energia.

Un anello di magneti per deviare e collimare il fascio tiene gli antiprotoni tutti sulla stessa traiettoria, mentre un forte campo elettrico li rallenta. È come un acceleratore che funziona al contrario. Poi la dispersione di energie e le deviazioni sono ridotte grazie alla tecnica del “raffreddamento”, che consiste nel far passare gli antiprotoni attraverso nuvole di elettroni.

Finalmente, quando gli antiprotoni hanno rallentato fino a circa il 10% della velocità della luce, sono pronti per essere tirati fuori. Il ciclo di decelerazione è finito: è durato circa un minuto.

A questo punto si può pensare di creare un antiatomo, visto che positroni e antiprotoni dovrebbero essere in grado di accoppiarsi e formare l’ anti-idrogeno, la controparte dell’atomo più semplice, l’idrogeno. Dopo vari tentativi andati a vuoto perché le antiparticelle si annichilavano rapidamente con qualsiasi particella di materia incontrassero, nel 1995 i fisici del CERN riuscirono nel difficile compito di creare l’anti-idrogeno.

Ma ci sono voluti ancora molti anni e diversi esperimenti per riuscire ad ottenere un buon numero di antiatomi e solo nel 2011 l’esperimento ALPHA è riuscito ad intrappolare atomi di anti-idrogeno per 1000 secondi, un tempo davvero lunghissimo rispetto ai precedenti esperimenti, bloccandoli in una trappola elettromagnetica creata dai supermagneti dell’ LHC e raffreddandoli alla temperatura record di -273,15°, cioè solo 0,5°C sopra lo zero assoluto.

Attualmente ci sono quattro esperimenti che stanno studiando l’antimateria: AEGIS, ALPHA, ASACUSA e ATRAP. L’esperimento ACE inoltre sta testando l’uso di antiprotoni per la cura del cancro.

Come spesso accade infatti, la ricerca scientifica in campi apparentemente speculativi può sviluppare tecnologie utili in settori “pratici”. I positroni vengono già usati in diagnostica medica per la positron emission tomography, o PET, che consente di rivelare strutture interne, come per esempio il cervello, velocemente e con basse dosi di positroni.

IMG_20160109_142646Nel 2017 diventerà operativo un aggiornamento dell’ Antiproton Decelerator, chiamato ELENA (Extra Low ENergy Antiproton ring). ELENA decelererà ancora di più gli antiprotoni provenienti dall’ AD, permettendo di intrappolarne molti di più. Con in aggiunta anche l’abilità di servire quattro esperimenti quasi simultaneamente, ELENA ci introdurrà in una nuova era dell’investigazione del rapporto tra materia e antimateria nell’universo.

Ma perché questi studi sull’antimateria sono così importanti? Gli scienziati, attraverso queste ricerche, vogliono scoprire cosa è accaduto immediatamente dopo il Big Bang, che dovrebbe aver creato uguali quantità di materia e antimateria nell’universo primordiale. Ma oggi tutto ciò che vediamo è fatto quasi interamente di materia. L’antimateria è praticamente scomparsa e in natura se ne osservano solo alcune tracce (per esempio sembrerebbe che venga prodotta durante i temporali).

Deve essere accaduto qualcosa che ha cambiato l’equilibrio della bilancia. La consapevolezza che esisteva l’antimateria è stato uno dei più alti risultati intellettuali del XX secolo. Oggi, una delle più grandi sfide della fisica è comprendere che fine ha fatto l’antimateria, oppure scoprire il motivo per cui noi vediamo questa asimmetria tra materia e antimateria.

Author: VIS Contributor

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