Antimateria: realtà o fantasia?

Antimateria:   realtà o fantasia?

Motivazione:

Ho deciso di scegliere come argomento della mia tesina di maturità l'antimateria perché lo trovo molto interessante; è un argomento ancora poco conosciuto sia a livello personale che scolastico ma è a tal punto innovatore e rivoluzionario che non può non colpire e suscitare interesse. Quando sentiamo pronunciare il termine "antimateria" molto spesso o lo colleghiamo a qualcosa di fantascientifico, come per esempio l'astronave di Star Trek, o non sappiamo neanche di che cosa si stia parlando; siamo nella maggior parte dei casi inconsapevoli che oramai l'antimateria è una realtà e che nell'arco di quasi un secolo è riuscita a imporsi addirittura nella nostra realtà quotidiana; è diventata infatti indispensabile nell'ambito medico e il suo studio a livello astrofisico è fondamentale per cercare finalmente di svelare i misteri che avvolgono l'universo. Milioni di fisici e scienziati in tutto il mondo hanno investito e investono tuttora le loro energie in essa perché credono nella sua portata rivoluzionaria e soprattutto che essa possa davvero essere un nuovo punto di partenza e una soluzione ai tanti problemi che affliggono l'uomo ,come per esempio quello energetico. Trattando di questo argomento, vorrei riuscire a dimostrare come quello che noi crediamo tanto distante e futuristico in realtà sia così vicino e importante. La scoperta delle antiparticelle e la loro relativa conferma sperimentale avvenuta nell'arco di molti anni è stato uno dei passi più importanti compiuti dalla fisica moderna e sebbene la strada sia ancora lunga in quanto purtroppo si riesce a produrre antimateria ma non a conservarla, guardando indietro non si può che essere ottimisti. Quindi alla domanda " L'antimateria è realtà o fantasia?" penso si possa rispondere che è una grande realtà.

L'antimateria

Definizione:

L'antimateria altro non è che materia costituita da antiparticelle, ossia da particelle elementari che, per certi aspetti, possono essere considerate le immagini speculari delle particelle che formano la materia ordinaria. Le antiparticelle sono in generale uguali alle corrispondenti particelle in tutto, tranne che per determinate proprietà fisiche, che risultano opposte (la più comune di queste è la carica elettrica). Ad esempio, la particella di antimateria corrispondente all'elettrone è il positrone, che differisce dall'elettrone solo perché possiede carica elettrica positiva. Viceversa l'antiparticella del neutrone (antineutrone), privo di carica, si distingue dalla particella ordinaria per il segno del momento magnetico (una proprietà che determina il comportamento elettromagnetico della particella). L'antiprotone è invece l'antiparticella del protone. In generale, tutti i parametri che descrivono le proprietà dinamiche delle particelle elementari, come la massa e il tempo di decadimento, sono identici per particella e antiparticella.

L'antimateria e la sua storia:

L'esistenza delle antiparticelle fu ipotizzata per la prima volta dal fisico britannico Paul-Adrien-Maurice Dirac, il quale formulò una teoria per il moto degli elettroni in campi elettrici e magnetici. Nel 1928 egli arrivò a scrivere un'equazione fondamentale - divenuta poi famosa col suo nome - che gli permise di prevedere l'esistenza di una particella identica all'elettrone, ma dotata di carica positiva. La sua teoria infatti era in grado di descrivere le misure sperimentali in modo eccezionalmente preciso ma portò ad una sorprendente previsione; ovvero che l'elettrone per l'appunto dovesse avere un'antiparticella con stessa massa ma carica elettrica opposta . La conferma sperimentale dell'esistenza di tale particella, chiamata positrone, avvenne nel 1932 ad opera di Carl David Anderson il quale osservò nei raggi cosmici una particella che si comportava come un elettrone ma aveva carica positiva Per scoprire l'antiprotone, l'antiparticella del protone, fu necessario attendere l'avvento di potenti acceleratori di particelle che accelerano protoni o elettroni fino a raggiungere energie elevate.  Negli anni '50 un acceleratore a Berkeley, in California, raggiunse energie sufficienti per produrre antiprotoni e antineutroni, che vennero osservati tramite sofisticati apparati. La scoperta dell'antiprotone e la conseguente elaborazione della teoria sull'antimateria è da attribuirsi al fisico italiano Emilio Segrè. Per questi studi di fondamentale importanza , nel 1959 riceverà con il collega Chamberlain il premio Nobel.
Negli anni seguenti gli acceleratori del CERN di Ginevra e di Brookhaven negli USA permisero di produrre ed osservare l'antideutone, poi acceleratori ancora più potenti permisero di produrre ed osservare, a Serpukhov in Russia e al CERN di Ginevra, gli antinuclei antielio 3  e antitrizio. Recentemente antiatomi di anti-idrogeno (anti-H = anti-p + e⁺) sono stati prodotti al CERN, decelerando antiprotoni e antielettroni tenendoli 'imbottigliati' nel vuoto tramite campi magnetici. L'anti-idrogeno è più difficile da 'imbottigliare' perché elettricamente neutro; la maggior parte degli antiidrogeni raggiunge una parete dove annichila con un atomo del mezzo.

Ad oggi si è riusciti a dimostrare l'esistenza di tutte le particelle previste dalla teoria di Dirac.

Caratteristica fondamentale dell'antimateria è il problema che essa non appena viene in contatto con la materia di annichilisce producendo energia; ecco perché quindi è così arduo il suo studio.

L'antimateria prima e oggi nell'universo:

Secondo la teoria del Big Bang l'Universo ha avuto origine circa 15 miliardi di anni fa da una grande esplosione che produsse materia ed antimateria in misura uguale. Ma dov'è ora la controparte della materia che conosciamo? Perché oggi l'antimateria è così rara?  Scoprire le radici di questa imperfezione cosmica è uno dei compiti fondamentali della moderna astrofisica, cosmologia ed anche della fisica fondamentale. Sappiamo che per qualche motivo la materia è arrivata a prevalere sull'antimateria ma il preciso meccanismo che ha portato a questo non è ancora completamente compreso. Molti fisici delle particelle pensano che l'asimmetria fra materia e antimateria derivi da diversità nelle proprietà fisiche. Il  fisico teorico russo Andrei Sakharov postulò nel 1967 le condizioni per cui ciò potesse avvenire. Fra queste una richiedeva quella che tecnicamente è chiamata violazione di CP. La conferma alla sua ipotesi finalmente è arrivata grazie al lunghissimo lavoro dei fisici del Cern, che sono stati impegnati per ben 10 anni nell'osservazione di una piccola particella subatomica, il kaone neutro. A livello sperimentale si è infatti visto che esiste una piccola differenza nella velocità di decadimento dei kaoni neutri e delle rispettive antiparticelle. Questo è il motivo per cui materia e antimateria non si sono annichilite in un grande fuoco d'artificio ma la prima ha prevalso. Grazie a questo progetto di ricerca internazionale, l 'NA48, che ha coinvolto 16 laboratori europei tra cui 6 italiani si è stati in grado di dare una risposta a uno degli interrogativi più importanti della fisica moderna; ovvero perché il mondo che conosciamo è fatto di materia e non di antimateria. Ha inoltre dimostrato che la violazione della simmetria CP è una realtà. Per molto tempo i fisici hanno creduto che la simmetria CP fosse sempre rispettata ma in realtà così non era; infatti per poter affermare che la simmetria è conservata occorre osservare un sistema fisico dopo avere scambiato ogni particella del sistema con la sua antiparticella e verificare che nulla è cambiato.

La simmetria CP si consta di due operazioni rappresentate dalla due rispettive lettere; con C si indica la coniugazione di carica e rappresenta l'operazione di scambio di una particella con la sua antiparticella, mentre la lettera P è chiamata parità e indica l'operazione di riflessione delle coordinate spaziali.

Dobbiamo comunque sottolineare che nonostante non si sia ancora rivelata la presenza di una certa quantità di antimateria nell'universo, la possibilità che esista non può essere completamente esclusa. Infatti noi non possiamo escludere a priori l'esistenza di antistelle o antigalassie, già ipotizzate dallo stesso Dirac nel suo discorso per il premio Nobel, perché in mancanza di dati sperimentali; noi sappiamo solo il perché la materia ha prevalso ma non se in maniera definitiva. Negli ultimi 20 anni, usando strumenti sempre più sofisticati, sono stati compiuti enormi sforzi nella ricerca in questa direzione. Poiché, quando l'antimateria viene a contatto con la materia ordinaria si annichila producendo radiazione elettromagnetica, si è pensato di rilevare la presenza di antimateria nell'Universo tramite la radiazione prodotta nelle annichilazioni; tuttavia però questa strada si è rivelata inconcludente in quanto la luce proveniente dall'universo non ci dà nessuna informazione utile per il semplice fatto che i fotoni hanno la peculiarità di essere identici alle loro antiparcelle e quindi nulla ci dicono sulla natura della materia di cui sono fatte la sorgenti da cui provengono.

Come linea di ricerca alternativa, si è quindi pensato di ricercare antinuclei nei raggi cosmici; per evitare l'annichilazione degli antinuclei con i nuclei dell'atmosfera, gli strumenti devono essere installati su satelliti. Due esperimenti si propongono di ricercare antimateria proveniente dallo spazio esterno:

1)PAMELA:  opererà sul satellite russo Artica e ricercherà antinuclei di media energia.

2) AMS (Alpha Magnetic Spectrometer): verrà installato sulla stazione spaziale internazionale. L'esperimento, promosso dall'ASI, dal MIT, dal CERN di Ginevra e dal premio Nobel Samuel Ting, si avvale di uno spettrometro di fabbricazione italiana, che verrà agganciato all'asse principale della stazione e vi rimarrà per circa tre anni. Le aspettative sull'esperimento sono molte, soprattutto in virtù dell'estrema sensibilità del rivelatore impiegato, circa 100.000 volte maggiore di quelli precedentemente utilizzati nella ricerca dell'antimateria.

L'antimateria intorno a noi:

oggi l'antimateria è usata ogni giorno in medicina per analizzare lo stato del cervello, tramite la tecnica chiamata Positron Emission Tomography (PET). La PET è un metodo di indagine che permette di misurare funzioni metaboliche e reazioni biochimiche in vivo ed ha larga applicazione nelle neuroscienze, in oncologia e in cardiologia. Essa utilizza positroni che si annichilano scontrandosi con gli elettroni. I positroni sono emessi da una sostanza radioattiva, un isotopo, combinato con una molecola metabolica, per esempio il glucosio, iniettata nel sangue. I positroni emessi dall'isotopo si annichilano quasi immediatamente incontrando gli elettroni ed emettono due raggi γ in direzioni opposte. Questi raggi provenienti dal corpo del paziente permettono ad un computer di costruire una mappa della regione celebrale dalla quale provengono; la loro emissione è più intensa nella regione in cui è alta la concentrazione di positroni ovvero dove vi è maggior quantità di sangue. Il computer contraddistingue le diverse regioni con appostiti colori: rosso per le aree di attività più intensa, arancione e giallo per quelle mediamente coinvolte e blu per quelle non interessate. L'immagine permette quindi di controllare l'organo e di rilevare eventuali anomalie. È una tecnica invasiva tuttavia non pericolosa in quanto la quantità di radiazioni assorbita dal paziente è minima. La PET ha molte applicazioni ed è il test più sicuro per l'identificazione del morbo di Alzheimer nelle fasi iniziali ed è l'unico strumento per fotografare il funzionamento di particolari aree del cervello collegate alle emozioni.

Tomografia a emissione di positroni

Nella foto, la PET eseguita sul cervello di un individuo evidenzia l'attività delle cellule cerebrali a riposo e durante tre tipi di stimolazione auditiva.

L'antiprotone:

è l'antiparticella del protone, simile a questo tranne che per la carica elettrica negativa. La sua esistenza venne ipotizzata da Paul Dirac già agli inizi degli anni Trenta, come conseguenza della formulazione relativistica della meccanica quantistica. Per la conferma sperimentale dell'esistenza dell'antiprotone si dovette aspettare il 1955, quando i fisici Owen Chamberlain ed Emilio Segrè, riuscirono a produrre antiprotoni con l'acceleratore Bevatron del Lawrence Radiation Laboratory di Berkeley. La scoperta dell'antiprotone valse a Chamberlain e a Segrè il premio Nobel per la fisica nel 1959. Come tutte le antiparticelle, gli antiprotoni sono di difficile produzione e accumulazione, per la loro tendenza ad annullarsi con le rispettive particelle, in un processo noto come annichilazione. Sono però particelle estremamente utili negli studi di fisica, poiché nell'annichilazione fra un fascio di protoni e uno di antiprotoni accelerati a velocità prossime a quelle della luce, tutta l'energia posseduta dai fasci viene resa disponibile per la creazione di nuove particelle. Il primo acceleratore a utilizzare fasci di protoni e antiprotoni, che, per la proprietà di carica opposta, possono essere accelerati in direzione opposta nella medesima macchina, è stato il Super ProtoSincrotrone (SPS) del CERN di Ginevra. Grazie a questa idea innovativa, proposta da Carlo Rubbia fu possibile scoprire i bosoni. Oggi il complesso di macchine per la produzione e accelerazione di antiprotoni al CERN (Antiproton Acceleration Complex) è utilizzato per studi di fisica a basse energie.

Una macchina che ancora oggi utilizza l'annichilazione fra fasci di protoni e antiprotoni per la ricerca di nuove particelle è il Tevatron del Fermilab di Chicago, dove i due fasci, prima di essere fatti scontrare, sono accelerati ciascuno fino all'energia di 1 TeV (mille miliardi di elettronvolt). Questa macchina ha fornito ai fisici la possibilità di scoprire nel 1995 il quark top ( ha una massa di circa 174 GeV ,di gran lunga la maggiore tra quelle dei quark; la sua carica elettrica è positiva e pari a 2/3 di quella dell'elettrone), che ancora mancava per completare il quadro del Modello standard.

L'antimateria come fonte d'energia:

Se una parte di antimateria si annichilisce a contatto con della materia ordinaria, tutta la massa delle particelle ed antiparticelle annichilite viene convertita in energia. Questo processo permetterebbe di ottenere enormi quantità di energia da quantità molto piccole di materia ed antimateria, al contrario di quanto avviene invece per le reazioni nucleari e chimiche, dove a parità di massa di combustibili utilizzati viene prodotta una quantità di energia molto più piccola. La reazione di 1 kg di antimateria, con 1 kg di materia produce 1,8×10¹⁷ J di energia (in base all'equazione E=mc²). Per contro, bruciare 1 kg di petrolio fornisce 4,2×10⁷ J, mentre dalla fusione nucleare di 1 kg di idrogeno si otterrebbero 2,6×10¹⁵ J. In altre parole, l'annichilazione della materia con l'antimateria produce circa 70 volte l'energia prodotta dalla fusione nucleare dell'idrogeno in elio e quattro milioni di volte l'energia prodotta dalla combustione del petrolio.

Data la scarsità dell'antimateria in natura, l'antimateria non è una valida fonte di energia. Generare un singolo atomo di antimateria è immensamente difficile e dispendioso. Sono necessari acceleratori di particelle ed enormi quantitativi di energia, enormemente superiori a quella rilasciata dopo l'annichilazione con la materia ordinaria. A meno che non vengano scoperte fonti naturali di antimateria o non si trovi un processo efficiente di produzione della stessa e per la sua conservazione per tempi lunghi, evitando che si annichili con la materia che ne costituirebbe il serbatoio, il suo possibile sfruttamento rimarrà più che altro una mera curiosità scientifica.

A livello teorico, dato che l'energia prodotta dall'annichilamento materia/antimateria è nettamente superiore a quella prodotta da altri sistemi propulsivi, il rapporto tra peso del carburante e spinta prodotta sarebbe estremamente vantaggioso. L'energia ottenibile dalla reazione di pochi grammi di antimateria con altrettanti di materia sarebbe sufficiente a portare una piccola navicella spaziale sulla Luna.

Domande e risposte:

Glossario:

bosone: classe di particelle subatomiche caratterizzate da un valore dello spin intero o nullo. I bosoni si differenziano quindi dai fermioni, che possiedono invece un valore dello spin semi-intero. Appartengono a questa classe: il fotone, che trasmette l'interazione elettromagnetica. Inoltre, sono bosoni tutti gli agglomerati di particelle che nel complesso manifestano uno spin intero.

Spin: momento angolare "intrinseco" di un corpo. In fisica classica si parla di spin per caratterizzare il moto di rotazione di un corpo intorno al proprio centro di massa; in fisica quantistica, invece, lo spin è una proprietà intrinseca di ogni particella subatomica, indipendente dal suo stato di moto. In questo contesto, lo spin si differenzia dall'altro tipo di momento angolare posseduto dalle particelle, ossia dal momento angolare orbitale, che è legato al moto della particella e si manifesta solo se questa è in movimento. Così, un elettrone all'interno di un atomo è dotato di un momento magnetico orbitale, associato al moto di rivoluzione dell'elettrone intorno al nucleo, e di un momento angolare di spin. Il momento angolare totale è dato allora dalla somma dei due momenti angolari. Lo spin di entità più complesse, costituite da gruppi di particelle, come ad esempio un nucleo atomico, è uguale alla somma degli spin delle singole particelle che le compongono. La teoria quantistica prescrive che il momento angolare di spin possa assumere solo valori discreti, multipli interi o semi-interi dell'unità fondamentale del momento angolare, h/2, dove h è la costante di Planck. I fermioni, che costituiscono la classe di particelle che comprende i protoni, i neutroni e gli elettroni, hanno spin semi-intero (1/2, 3/2,); i bosoni, tra cui i fotoni, le particelle alfa e i mesoni, sono tutti caratterizzati da spin intero (0, 1, ). La differenza nel valore dello spin si riflette in un diverso comportamento fisico.

Modello standard: teoria fisica che descrive tutte le attuali conoscenze nel campo delle particelle elementari e delle forze che regolano le interazioni fondamentali della natura. Secondo la teoria quantistica relativistica (QFT), la materia è costituita da particelle dette fermioni, che interagiscono per mezzo di quattro forze fondamentali. Sebbene il Modello standard si sia rivelato in accordo con tutti gli esperimenti realizzati finora, esso ha tuttavia diversi limiti. In primo luogo non comprende la gravità, l'interazione di più debole intensità; contiene diversi parametri arbitrari; e infine non riunisce in un'unica teoria l'interazione nucleare forte e la forza elettrodebole. Il Modello standard ipotizza l'esistenza di una nuova particella, chiamata bosone di Higgs, che, attraverso la propria interazione con il resto delle particelle subatomiche, ne provocherebbe l'aspetto massivo. È proprio per verificare questa ipotesi che il CERN ha approvato la costruzione di un nuovo acceleratore, il Large Hadron Collider (LHC), che, accelerando a energie finora mai raggiunte i fasci di particelle, dovrebbe fornire collisioni sufficientemente violente da creare la particella ipotizzata.

Quark: particelle elementari la cui esistenza fu ipotizzata nel 1963; inizialmente furono ipotizzati tre soli quark: up , down e strange. Il protone, ad esempio, è costituito da due quark up e da un quark down. In un secondo tempo venne postulato un quarto quark, il charm (c) la cui esistenza fu confermata sperimentalmente nel 1974. Furono quindi ipotizzati un quinto e un sesto quark, chiamati bottom e top (b e t); Il bottom fu scoperto nel 1977, mentre il top eluse le ricerche fino al marzo 1995, quando i fisici del Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) annunciarono di aver conseguito l'evidenza sperimentale della sua esistenza. Ogni tipo di quark ha la sua antiparticella .

ASI: Agenzia Spaziale Italiana.

MIT: Massachusetts Institute of Technology .

CERN: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire.

Sitografia:

www.scienzagiovane.unibo.it

www.wikipedia.org

www.encarta.it

www.galileonet.it

Bibliografia:

"Fisica percorsi e metodi 3" di J.D.Wilson e A.J Buffa.