ANTIMATERIA

Tutta la materia che ci circonda è costituita da atomi: sistemi composti da particelle di carica negativa, gli elettroni, orbitanti attorno a un nucleo centrale di carica elettrica positiva, composto da protoni e neutroni.Le leggi con cui i fisici descrivono la struttura atomica prevedono che, oltre alla materia ordinaria, esista anche un’altra forma di materia: la cosiddetta antimateria formata da antiparticelle del tutto identiche a quelle conosciute ma con carica di segno opposto.

L’antimateria comprende i positroni uguali agli elettroni ma con carica elettrica positiva, antinuclei con carica negativa, antiatomi e così via.Queste antiparticelle vengono prodotte artificialmente nei laboratori ad alte energie (C.E.R.N), ma nell‘Universo conosciuto praticamente non c’è traccia né di antiatomi né di antimateria. L’antimateria è uno dei concetti nati nei primi anni del ‘900; a ipotizzarne l’esistenza fu Paul Dirac (1928) mentre era alla ricerca di una teoria che conciliasse i principi della meccanica quantistica con quelli della relatività ristretta.  Dirac elaborò una teoria, chiamata “meccanica quantistica relativistica”, la quale prevedeva che per ogni particella dotata di carica, esista di una particella dotata di massa identica e carica opposta: l’antiparticellaNel 1932 Carl Anderson, riuscì a fornire una prova concreta dell’esistenza dell’antimateria.  La scoperta avvenne nel corso di un esperimento sulla natura dei Raggi Cosmici, il flusso di particelle provenienti dallo spazio che a ogni istante colpisce il nostro pianeta; analizzando le tracce lasciate da particelle cariche nell’attraversare una camera a nebbia (recipiente contenente vapore, in cui il passaggio di una particella viene visualizzato da una scia di bollicine), Anderson identificò una particolare traccia che corrispondeva al passaggio di una particella con massa uguale all’elettrone ma carica elettrica opposta: il positrone. Successivamente, nel 1955, Emilio Segrè e Owen Chamberlain scoprono l’antiprotone e per questo ricevono il premio Nobel (1959). Nel 1965, al CERN con l’acceleratore di particelle PS (protosincrotrone), il gruppo di ricerca condotto da Antonino Zichichi scopre il primo nucleo di antimateria: l’antideuterio. Nel 1978, ricercatori italiani e francesi guidati da Giorgio Giacomelli scoprono nuclei di antitrizio e di antielio3. Nel 1997, sempre al CERN ricercatori di vari paesi (progetto ATHENA) creano i primi atomi di antidrogeno; nello stesso esperimento si riesce a sintetizzare il “protonio”, un atomo instabile composto da un protone e da un antiprotone. Nel novembre del 2010 (exp ALPHA – CERN) vengono imprigionati per la prima volta 38 atomi di anti-H per  10^-1 s.Nel 2011 un nucleo di anti He⁴ viene rilevato nei laboratori di Brookhaven (USA). Nel giugno2011 (esperimento Alpha) si riesce a creare e intrappolare 112 atomi di anti-H per ≈ 1.000 secondi (oltre 16 minuti). Infine, a gennaio 2014, nell’esperimento Asacusa al Cern, i ricercatori hanno prodotto 80 atomi di anti-H; ma il dato più rilevante non è nel numero di atomi prodotti, ma nel fatto che questo fascio è stato fatto emergere in un punto posto a 2,7 metri dai magneti del rilevatore, in modo da essere analizzato senza l’influenza del forte campo magnetico presente.

Nel frattempo, la NASA (2001) lancia il satellite GLAST (Gamma-Ray Large Area Space Telescope) successivamente chiamato FERMI, che ha, tra le altre, la finalità di rilevare la presenza di antimateria in prossimità dell’atmosfera terrestre.

Nel 2010 FERMI-GLAST ha effettivamente rilevato presenza di antimateria all’interno di tempeste tropicali.Nel 2011 la stessa NASA ha dato notizia che FERMI, in alcuni temporali tropicali a 15 km dalla superficie terrestre, ha rilevato un flusso di raggi γ (generati dall’urto di elettroni con le molecole dell’aria) i quali, scontrandosi con gli elettroni dell’atmosfera, hanno prodotto antimateria sottoforma di positroni.

Nel maggio del 2011: lo spettrometro AMS (Alpha Magnetic Spectrometer ) posizionato all’esterno dell’ISS (International Space Station) ha raccolto e analizzato ≈ 7 milioni di raggi cosmici, nell’intervallo di energia: 0,5 – 350 GeV; tra questi AMS ha contato ≈ 400.000 positroni, isolati rispetto al fondo di protoni,  grazie a misure accurate e ripetute.La frazione di positroni misurata da AMS, non presenta variazioni significative in funzione dell’energia; né mostra anisotropia angolare, segno che i positroni ad alta energia non provengono da direzioni preferenziali dello spazio, ma lo permeano con distribuzione uniforme.

Particelle e antiparticelle, avendo massa uguale, si comportano in modo identico sotto l’effetto della forza di gravità, ma in modo opposto rispetto alle altre forze; quando particelle e antiparticelle interagiscono, tendono ad annichilirsi, trasformando la loro massa in energia, sottoforma di radiazione elettromagnetica.

Si tratta di un’ulteriore conferma che la materia non è altro che una particolare forma di energia (Einstein):

ΔE = c²·Δm

In determinate condizioni questo processo può essere invertito: si possono, cioè, creare coppie particella-antiparticella a partire da una radiazione e-m di adeguata energia (elevata frequenza):

E = h·f

La creazione di coppie particella-antiparticella avviene quando una radiazione molto energetica attraversa la materia: con questo il meccanismo si creano artificialmente le antiparticelle. L’antimateria ha vita breve e non può essere immagazzinata, in quanto si annichilisce al primo contatto con la materia; in base alle attuali conoscenze, non esistono quantità significative di antimateria nell’Universo, solo piccolissimi quantitativi generati nei laboratori di fisica delle particelle (LHCb – CERN) e nei processi astronomici più energetici. Non c’è alcuna differenza tra particelle e antiparticelle, a parte il segno della carica; un Universo costituito da antiprotoni, antineutroni e positroni, sarebbe comunque stabile. Uno dei problemi irrisolti della cosmologia è giustificare perché l‘Universo conosciuto sia composto quasi esclusivamente da particelle e non da antiparticelle.

Una delle interpretazioni possibili consiste nel fatto che alcune antiparticelle decadono in modi e in tempi relativamente diversi rispetto a quelli delle corrispondenti particelle, come il mesone K (kaone) e il mesone B. Al momento del Big Bang è possibile che sia stata prodotta la stessa quantità di materia e antimateria, ma la diversità di decadimento tra le particelle ha creato l’asimmetria a favore della prima.

Gli astrofisici pensano che ≈ 14 miliardi di anni fa il Cosmo si trovasse in una fase di rapidissima espansione (inflazione) verificatasi pochi istanti dopo il Bing Bang.   Nei primi istanti, temperatura e densità erano tali da determinare la creazione continua di particelle-antiparticelle a partire da radiazioni e-m di elevata energia. Contemporaneamente coppie di particelle-antiparticelle venivano distrutte (annichilendosi le une con le altre) e trasformate nuovamente in radiazione elettromagnetica. Negli istanti successivi, questo processo di annichilazione portò alla completa scomparsa dell’antimateria, ma una piccolissima quantità di materia sopravvisse. In base allo studio della radiazione cosmica di fondo (WMAP – PLANCK) si è dedotto che meno di una parte su un miliardo delle particelle di materia presenti nei primi istanti, sopravvisse all’annichilazione con l’antimateria. Questo piccolo residuo di materia ha formato tutti i corpi presenti nello spazio, dalle stelle alla Terra, compresa la specie umana: il successo della materia rispetto all’antimateria è testimoniato dalla nostra stessa esistenza! Alcuni fisici ritengono che lo studio sperimentale dell’asimmetria fra materia e antimateria potrebbe aprire una nuova pagina sulla produzione di energia; infatti, se una parte di antimateria si annichilisce a contatto con la materia ordinaria, tutta la massa delle particelle annichilite deve essere convertita in energia. Questo processo permetterebbe di ottenere enormi quantità di energia da quantità molto piccole di materia e antimateria, al contrario di quanto avviene per le reazioni nucleari e chimiche, dove a parità di massa utilizzata, viene prodotta una quantità di energia molto inferiore. A parità di massa l’annichilazione della materia con l’antimateria produrrebbe una quantità di energia circa 4 miliardi di volte superiore a quella della combustione del petrolio, 70 volte superiore a quella prodotta dalla fusione nucleare e 2000 volte superiore a quella della fissione.

Generare un singolo atomo di antimateria, però, è estremamente difficile e dispendioso; sono, infatti, necessari grandi acceleratori di particelle ed enormi quantità di energia, superiori a quella rilasciata dopo l’annichilazione con la materia ordinaria, ciò rende di fatto l’impresa energeticamente ed economicamente non conveniente. Il costo per produrre 10 mg di positroni è circa 250 milioni di dollari (25 miliardi per grammo). La NASA valuta che occorrano 62.500 miliardi di dollari per produrre 1 g di anti-H. Secondo le stime del CERN, la produzione di 1 ng di antiparticelle (il quantitativo utilizzato negli esperimenti) è costato alcuni milioni di Franchi svizzeri. Se fosse però possibile produrre e immagazzinare facilmente l’antimateria, potrebbe essere usata anche per lo smaltimento dei rifiuti, soprattutto quelli a elevata tossicità, come le scorie nucleari a lunga vita media.A meno che non vengano scoperte fonti naturali di antimateria (la NASA sta valutato la possibilità di raccogliere con campi magnetici, l’antimateria che si forma spontaneamente nelle fasce di Van Allen attorno alla Terra e attorno ai grandi pianeti come Giove) il suo possibile sfruttamento rimane, per ora, pura curiosità scientifica.

Proff. Mario Maiullari

CONFERENZA SVOLTASI AL LICEO JUVARRA DI VENARIA REALE