Materia e antimateria

MATERIA E ANTIMATERIA

Il primo dispositivo che permise di evidenziare la traiettoria di particelle cariche, di per sé invisibili, è noto col nome di camera a nebbia di Wilson. Si tratta di una camera satura di vapore acqueo, nella quale, la particella, passando, crea la condensazione del vapore in piccole goccioline, le quali si disporranno secondo la traiettoria della particella stessa. Per riconoscere le particelle dalla semplice analisi delle loro traiettorie, alla camera a nebbia è applicato un intenso campo magnetico; il campo incurva la traiettoria in un senso o nell'altro, a seconda che la carica elettrica della particella sia positiva o negativa. Il raggio di curvatura della traccia, inoltre, è una misura dell'energia della particella: più la traccia è incurvata, minore è l'energia, meno la traccia è incurvata, maggiore è l'energia. Dunque, minore è il raggio della curva della traccia, minore è l'energia della particella, maggiore è il raggio della curva della traccia, maggiore è l'energia della particella, in quanto la curvatura è il reciproco del raggio ( dove è la curvatura).

Infatti, per la forza di Lorentz applicata a una particella ma per cui . Sapendo che sostituendo nella formula precedente otteniamo . Inoltre poiché l'accelerazione che subisce la particella è centripeta e la formula per calcolare l'accelerazione centripeta è sostituendo nella formula precedente si ottiene e semplificando da cui si ricava che e che

Se la particella si muove a bassa velocità per calcolare l'energia vale la relazione della fisica classica . Sostituendo dalle formule precedenti otteniamo e semplificando . Poiché la carica , il campo magnetico così come la massa, a bassa velocità, si mantengono costanti, l'unico valore che varia al variare dell'energia è il raggio

Se la particella si muove ad alta velocità, per calcolare l'energia vale la relazione della fisica relativistica . Poiché la massa ad alta velocità non è costante, ma varia secondo la relazione sostituendo nella formula precedente si ottiene . Analogamente, sostituendo la formula della massa nella relazione precedente da cui abbiamo ricavato il raggio , otteniamo da cui, portando il denominatore al primo membro ed elevando al quadrato, si ottiene . Moltiplicando per l'argomento incluso nella parentesi otteniamo e portando la frazione al secondo membro si ottiene. Raccogliendo al secondo membro otteniamo ed esplicitando si ottiene . Facendo il minimo comune multiplo al denominatore otteniamo e semplificando la relazione precedente si ottiene. Se andiamo a sostituire il così ottenuto nella formula per calcolare l'energia, otteniamo. Semplificando la frazione sotto la radice si ottiene ed eliminando il per semplificazione nella frazione sotto radice otteniamo . Svolgendo il minimo comune multiplo dell'argomento sotto radice otteniamo

ed eliminando al numeratore della frazione sotto radice i termini uguali ma opposti si ottiene . Svolgendo la radice al numeratore della frazione sotto radice otteniamo e semplificando la relazione si ottiene . Semplificando ulteriormente al numeratore e al denominatore si ricava infine che . Anche in questo caso, poiché la carica , il campo magnetico , la costante , così come la massa a riposo si mantengono costanti, l'unico valore che varia al variare dell'energia è il raggio

Nel 1932 C.D. Anderson, utilizzando la camera a nebbia, osservò che le particelle presenti nei raggi cosmici curvavano la loro traiettoria in un campo magnetico così come fanno gli elettroni, ma in direzione opposta. Egli confermò così l'esistenza di antiparticelle, con massa uguale a quella dell'elettrone, ma con carica opposta: i positroni e⁺.

Anderson intuì che anche il protone doveva avere un "gemello" di carica opposta: ma la conferma sperimentale di tale ipotesi si ebbe soltanto nel 1955 da parte di due scienziati, O. Chamberlain e E. Segrè, che ottennero gli antiprotoni in uno dei primi grandi acceleratori di particelle. Da allora si sono scoperte molte altre antiparticelle, tanto che oggi si considera che a ogni particella ne corrisponda sempre un'altra della stessa massa, ma opposta per quanto riguarda alcune proprietà, quale ad esempio il segno della carica elettrica.

Se una particella e un'antiparticella della stessa specie si scontrano, si verifica immediatamente la loro annichilazione, con totale trasformazione della loro massa in energia. Può verificarsi, tuttavia, anche il processo inverso: una certa quantità di energia può materializzarsi in una particella e nella sua corrispondente antiparticella. Il big - bang è l'esempio estremo di quest'ultimo processo.