Una foto dell’esperimento Asacusa (c) CERN
È di queste ore l’annuncio della creazione di un fascio di antimateria stabile al CERN da parte dell’esperimento Asacusa. Come suggerisce il nome, un gioco di parole con uno dei maggiori templi di Tokyo, Asakusa (lett. bassa erba) l’esperimento è diretto da un giapponese,Yasunori Yamazaki del RIKEN, ma si avvale della collaborazione di scienziati di tutto il mondo.
Siamo lontani anni luce dalle fesserie farneticate in “Angeli e Demoni” e anche dai motori dell’Enterprise, ma questi studi aprono scenari forse ancora più importanti per lo studio della fisica fondamentale.
Cos’è l’antimateria?
Le antiparticelle sono quasi identiche alle particelle di materia normale: la principale differenza è che hanno carica elettrica opposta. Quando una particella si scontra con un’antiparticella si ha la totale conversione in energia, producendo alcuni raggi gamma. Questo fenomeno è usato quotidianamente nella PET (Positron Emission Tomography) per la diagnostica di tumori.
Che ha di particolare questo esperimento?
Si parla di antimateria e non di antiparticelle perché è un fascio di anti-atomi di (anti)idrogeno, ossia un antiprotone (negativo) intorno al quale orbita un positrone (positivo), mentre gli atomi di idrogeno ordinario sono formati da un protone (positivo) e un elettrone (negativo). Il fatto di essere elettricamente neutri e a temperature molto vicine allo zero assoluto permette al gruppo di atomi di restare in vita per un periodo molto lungo e studiare in dettaglio le proprietà di questo sistema.
Sì, ma che c’è di nuovo?
La creazione di antimateria stabile non è una novità in sé, ma la nuova tecnica messa a punto dai ricercatori di Asacusa permette di realizzare un fascio con un numero maggiore e più stabile di anti-atomi, rendendo possibile effettuare su di essi misure nuove e molto più precise.
Perché è importante?
L’esistenza di antiparticelle fu postulata nel 1932 da Dirac; la scoperta del positrone da parte di Anderson giunse poco dopo. Particelle e antiparticelle si comportano in maniera pressoché identica su scala microscopica. Tuttavia l’universo è dominato dalla materia, mentre l’antimateria è sparita completamente a parte tracce microscopiche nei raggi cosmici. Nei primi istanti dopo il Big Bang deve essere avvenuto qualcosa attraverso leggi fisiche che non solo non conosciamo, ma non riusciamo neanche ad immaginare. Con questo fascio di antimateria sarà ad esempio possibile vedere se l’antimateria è attratta dalla Terra (come prevedono le teorie attuali, come la Relatività Generale) o da essa respinta.
E i motori dell’Enterprise?
Quelli devono aspettare. L’energia richiesta per produrre una quantità di antimateria utilizzabile in un ipotetico motore è enorme e impossibile da realizzare sulla Terra. In Star Trek viene utilizzato un fascio di antiparticelle come fonte di energia, supponendo che questa sia prodotta su pianeti e poi utilizzata come forma compatta di energia e carburante.
Nello spazio?
Vi è una fascia di antiprotoni intrappolati intorno alla terra, scoperta dall’esperimento PAMELA, di cui faccio parte. In quel caso si tratta di nanogrammi di antiprotoni prodotti dall’urto di raggi cosmici galattico contro l’atmosfera terrestre. Giove, che ha una magnetosfera molto più grande, ne dovrebbe contenere microgrammi.
E Angeli e Demoni di Dan Brown?
Tutto “Angeli e Demoni” si basa sulla sorpresa di scienziati di fine ‘900 nello scoprire una nuova misteriosissima forma di materia: le antiparticelle. La presenza delle antiparticelle aveva poi implicazioni pseudo-filosofico-religiose-new-age come solo Dan Brown sa fare… Nella realtà però questo tipo di materia era stata prevista e osservata già da 70 anni. Paradossalmente sarebbe come se, in un romanzo di Camilleri, il Commissario Montalbano si trovasse alle prese con una misteriosissima nuova arma che uccide lanciando proiettili di metallo, sparati tramite un’esplosione chimica, scatenata premendo un grilletto. A confronto è molto più realistico e plausibile Star Trek.
sarebbe possibile avere un’idea almeno degli ordini di grandezza in gioco?
“un fascio” quanti sono? un antiatomo al secondo? mille al secondo? uno all’ora?
e il “periodo molto lungo” come si misura? in minuti? ore? anni? millisecondi?
ed è un metodo utilizzabile solo lì o anche con acceleratori meno potenti?
dovrebbero essere 80 atomi a 2.7 metri dalla sorgente, che vivono piu’ di 1000 secondi, abbastanza per farci misure di violazione materia antimateria.
non credo sia un problema di potenza di acceleratore, quanto di tecnica di raffreddamento
Per quel che so dei colleghi di ATHENA (che è la concorrenza di ASACUSA, ma le problematiche sperimentali sono simili) il problema è proprio il confinamento, che va fatto in una camera ad ultra alto vuoto con una trappola magnetica e opportuni campi elettrici. In parole molto povere, con un fascio di protoni si producono gli antiprotoni e con un fascio di elettroni i positroni, sono macchine relativamente piccole, tranne che per le imponenti schermature per la protezioni dalle radiazioni: gli acceleratori possono essere di poche decine di metri e la stanza in cui vengono “fabbricate” le antiparticelle avere muri di un paio di metri di spessore di cemento armato, diciamo. Di lì, un sistema di selettori magnetici raccoglie le antiparticelle “giuste” (insieme a loro ne vengono prodotte molte altre inutili all’esperimeto, per ogni positrone si produce un elettrone e per ogni antiprotone un protone, come minimo) che vengono trasportate e rallentate nella sala sperimentale.
Potrebbe sembrare strano, ma le particelle si guidano meglio se vanno molto veloci, che se vanno lente (questo è legato all’imprecisione con cui ne conosciamo la velocità, per particelle molto energetiche è percentualmente piccola, per particelle “quasi ferme” diventa rilevante), per cui questa fase è quella davvero delicata dell’esperimento. Quando sono abbastanza lenti, ovvero quando hanno energie confrontabili a quelle delle molecole dell’aria che respiriamo, positroni e antiprotoni vengono fatti incontrare e si possono formare atomi di antiidrogeno. A questo punto, si devono intrappolare oggetti neutri, per cui non basta un campo magnetico “semplice”, come per le particelle dotate di carica elettrica (e quindi soggette alla forza di Lorentz), ma serve l’azione combinata di campi elettrici e magnetici di forma particolare. Una bella spiegazione di come questo viene ottenuto per un altro esperimento ancora, ALPHA, è mostrata in questo video:
http://www.youtube.com/watch?v=dY5Zdqxoc8U
grazie, insomma decine di atomi per minuti?
…speriamo bastino per misure accurate e di non trovarci ad inseguire un altro neutrino iperveloce :s
dovrebbero bastare sia per le misure di campo magnetico che per la gravità ed altre violazioni (speriamo)
Il numero così esiguo non deve impressionare: il bosone Z ha portato Rubbia e Van Der Mer al premio Nobel con soli 6 eventi registrati…
a maggior ragione!
quanti esperimenti saranno stati fatti nei secoli intercorsi tra galileo e einstein? milioni? miliardi?
eppure la velocità era sempre v+v, solo dopo ci siamo resi conto che se da un treno lanciato quasi alla velocità della luce sparo una fucilata “in avanti” quella pallottola comunque non può andare in nessun caso più veloce della luce, qualunque sia la velocità del treno e la potenza del fucile
e misurare le interazioni gravitazionali di ottanta atomi, fra loro…bhè