Spiegatore: Che cos'è l'antimateria?

da The Conversation

— questo post è stato creato da Roger Jones, Lancaster University

L'antimateria è stata una delle scoperte fisiche più emozionanti del XX secolo. Raccolto da scrittori di fantascienza come Dan Brown, molte persone lo considerano un'idea teorica "là fuori", ignari del fatto che venga effettivamente prodotta ogni giorno. Cosa c'è di più, ricerca sull'antimateria ci sta effettivamente aiutando a capire come funziona l'universo.

L'antimateria è un materiale composto dalle cosiddette antiparticelle. Si crede che ogni particella che conosciamo ha una compagna di antimateria praticamente identica a se stessa, ma con carica opposta. Ad esempio, un elettrone ha una carica negativa. Ma la sua antiparticella, chiamata positrone, ha la stessa massa ma carica positiva. Quando una particella e la sua antiparticella si incontrano, si annichilano a vicenda, scomparendo in un lampo di luce.

Tali particelle furono predette per la prima volta dal fisico britannico Paul Dirac quando stava cercando di combinare il due grandi idee della prima fisica moderna: relatività e meccanica quantistica. In precedenza, gli scienziati erano sconcertati dal fatto che sembrava prevedere che le particelle potessero avere energie inferiori rispetto a quando erano a "riposo" (cioè praticamente senza fare nulla). Questo sembrava impossibile in quel momento, poiché significava che le energie potevano essere negative.

Dirac, tuttavia, ha accettato che le equazioni gli dicessero che le particelle stanno davvero riempiendo un intero "mare" di queste energie inferiori - un mare che era stato finora invisibile ai fisici poiché stavano solo guardando "sopra la superficie". Ha immaginato che tutti i livelli di energia "normali" che esistono sono rappresentati da particelle "normali". Tuttavia, quando una particella salta da uno stato di energia inferiore, appare come una particella normale ma lascia un "buco", che ci appare come una strana particella speculare: l'antimateria.

Nonostante lo scetticismo iniziale, furono presto trovati esempi di queste coppie particella-antiparticella. Ad esempio, vengono prodotti quando i raggi cosmici colpiscono l'atmosfera terrestre. Ci sono anche prove che l'energia nei temporali produce anti-elettroni, chiamati positroni. Questi sono prodotti anche in alcuni decadimenti radioattivi, un processo utilizzato in molti ospedali negli scanner per la tomografia a emissione di positroni (PET), che consentono immagini precise all'interno del corpo umano. Oggigiorno, gli esperimenti al Large Hadron Collider (LHC) possono produrre anche materia e antimateria.

Mistero materia-antimateria

La fisica prevede che materia e antimateria debbano essere create in quantità quasi uguali, e che questo sarebbe stato il caso durante il Big Bang. Inoltre, si prevede che le leggi della fisica dovrebbero essere le stesse se una particella viene scambiata con la sua antiparticella: una relazione nota come simmetria CP. Tuttavia, l'universo che vediamo non sembra obbedire a queste regole. È quasi interamente fatto di materia, quindi dove è andata a finire tutta l'antimateria? È uno dei più grandi misteri della fisica fino ad oggi.

Area sperimentale al CERN compreso l'esperimento alfa. Mikkel D. Lund/wikimeda, CC BY-SA

Gli esperimenti hanno dimostrato che alcuni processi di decadimento radioattivo non producono una quantità uguale di antiparticelle e particelle. Ma non è sufficiente a spiegare la disparità tra quantità di materia e antimateria nell'universo. Di conseguenza, fisici come me all'LHC, su ATLAS, CMS e LHCb, e altri che fanno esperimenti con neutrini come T2K in Giappone, stanno cercando altri processi che potrebbero spiegare il puzzle.

Altri gruppi di fisici come il Collaborazione Alpha al CERN stanno lavorando a energie molto più basse per vedere se le proprietà dell'antimateria sono davvero lo specchio dei loro partner di materia. I loro ultimi risultati mostrano che un atomo di anti-idrogeno (costituito da un antiprotone e un anti-elettrone, o positrone) è elettricamente neutro con una precisione inferiore a un miliardesimo della carica di un elettrone. In combinazione con altre misurazioni, ciò implica che il positrone è uguale e opposto alla carica dell'elettrone a meglio di una parte su un miliardo, confermando ciò che ci si aspetta dall'antimateria.

Tuttavia, rimangono moltissimi misteri. Gli esperimenti stanno anche studiando se la gravità influenza l'antimateria nello stesso modo in cui influisce sulla materia. Se queste esatte simmetrie si dimostrassero rotte, sarà necessaria una revisione fondamentale delle nostre idee sulla fisica, che influirà non solo sulla fisica delle particelle, ma anche sulla nostra comprensione della gravità e della relatività.

In questo modo, gli esperimenti con l'antimateria ci consentono di sottoporre la nostra comprensione del funzionamento fondamentale dell'universo a test nuovi ed entusiasmanti. Chissà cosa troveremo?

Roger Jones, Professore di Fisica, Capo Dipartimento, Lancaster University

Questo articolo è stato pubblicato in origine The Conversation. Leggi il articolo originale.