Dieci cose che potreste non sapere sull’antimateria Understand article

Tradotto da Rocco G. Maltese. L’antimateria ha rappresentato il soggetto di molti film di fantascienza, ma questi fatti affascinanti dimostrano che non sono solo parti della fantasia degli autori.

Illustrazione astratta della
collisione ad alta energia di
particelle

GiroScience/Shutterstock.com

Nel libro Angeli e Demoni, il Professor Langdon cerca di salvare la Città del Vaticano da una bomba all’antimateria. E, in Star Trek, la collisione tra materia e antimateria fornisce l’energia di propulsione della nave stellare Enterprice  che gli permette di procedere ad una velocità maggiore di quella della luce. Ma l’antimateria non è solo soggetto di fantascienza – mentre questi scenari sembrano inverosimili, vi sono ulteriori altri fatti sull’antimateria che stimoleranno le vostre cellule cerebrali.

1. L’antimateria potrebbe annichilare tutta la materia dell’Universo 

Le particelle dell’antimateria sono quasi identiche alle loro controparti della materia, eccetto che per la carica elettrica opposta e lo spin. Le particelle della materia e dell’antimateria sono prodotte a coppie e quando si incontrano, immediatamente si annichilano a vicenda, non lasciando altro dietro di loro che una scia di energia.

Questo significa che il Big Bang avrebbe potuto creare e distruggere una stessa quantità di queste particelle. Allora a cosa è dovuto la nostra esistenza nell’Universo, che è costituito quasi interamente da materia? Per quanto possano dire i fisici, alla fine, vi era rimasta una particella extra per ogni miliardo (109) di coppie materia-antimateria. I fisici stanno lavorando molto alacremente per cercare di fornire una spiegazione a questa asimmetria.  

2. L’antimateria è più vicina di quanto pensiate

Una piccola quantità di antimateria cade costantemente sulla Terra sotto forma di raggi cosmici – particelle energetiche provenienti dallo spazio. Queste particelle di antimateria raggiungono la nostra atmosfera con una frequenza da, alcune unità per chilometro quadrato per secolo o anche a più di 10000 per metro quadro al secondo. Gli scienziati hanno scoperto che la produzione di antimateria avviene anche al di sopra dei temporali.   

Modelli atomici di materia e
antimateria che mostrano le
particelle e le loro rispettive
cariche.

chromatos/Shutterstock.com

A altre fonti di antimateria sono persino più vicino a casa. Per esempio, le banane emettono un positrone – l’equivalente di un elettrone dell’antimateria – circa una unità ogni 75 minuti. Questo avviene poiché le banane contengono una piccola quantità di potassio-40, un isotopo del potassio prodotto dal suo decadimento naturale. Quando il potassio-40 decade, in questo processo occasionale, esso emette un positrone.   

Anche i nostri corpi contengono potassio-40, il che significa che anche noi emettiamo positroni. L’antimateria è annichilata immediatamente al contatto con la materia, così queste particelle di antimateria sopravvivono molto poco tempo. 

3. Gli esseri umani hanno creato solo una piccola quantità di antimateria

L’annichilazione materia-antimateria ha il potenziale di emettere una grande quantità di energia. Un grammo di antimateria potrebbe produrre una esplosione delle dimensioni di una bomba nucleare.

Gli scienziati creano l’antimateria per studiarla negli esperimenti, ma la quantità prodotta è molto piccola. Tutti gli antiprotoni creati dall’acceleratore di particelle del Tevatrone del Fermilab (ora non operativo) raggiungono i 15 nanogrammi, e quella prodotta dal CERN raggiunge difficilmente quasi 1 nanogrammo.  

Il problema risiede nel rendimento e il costo di produzione dell’antimateria e del sua conservazione. Produrre 1 grammo di antimateria richiede approssimativamente 25 milioni di miliardi (1015) di kilowatt-ora di energia con un costo di oltre un milione di miliardi di dollari US.

4. Vi sono anche cose come una trappola dell’antimateria

Per studiare l’antimateria, dobbiamo prevenire che si annichilisca nell’incontro con la materia. A tal fine gli scienziati realizzano ciò contenendo le particelle cariche, come i positroni e gli antiprotoni, in apparecchiature chiamate trappole di Penning. Queste trappole sono simili a dei piccoli acceleratori. Al loro interno le particelle spiraleggiano attorno a dei campi magnetici ed elettrici che impediscono di farle collidere con le pareti della trappola.  

Ma le trappole di Penning non sono idonee a lavorare con particelle neutre, come l’antidrogeno. Poiché non possiedono carica elettrica, queste particelle non possono essere confinate mediante campi elettrici. Al loro posto si utilizzano le trappole di Ioffe, che sfruttano vantaggiosamente le loro proprietà magnetiche. Le trappole di Ioffe funzionano creando una regione di spazio dove il campo magnetico diventa più elevato allontanandosi in tutte le direzioni. La particella viene attratta verso la zona di campo magnetico più debole analogamente a delle biglie di vetro che rotolano attorno ad una insalatiera raggiungendo, infine, il fondo.

5. L’antimateria potrebbe precipitare

Le particelle di materia e antimateria hanno stessa massa mentre differiscono per altre proprietà, come la carica elettrica e lo spin. Il Modello Standard – la teoria che meglio descrive le particelle e le loro interazioni – predice che la gravità dovrebbe avere lo stesso effetto sia sulla materia che sull’antimateria; tuttavia questo non è ancora stato osservato. Gli esperimenti al CERN, come l’AGIS, ALPHA e GBAR, stanno cercando di verificarlo.

Osservare gli effetti della gravità su l’antimateria non è così facile come quello di vedere cadere una mela dall’albero. Questi esperimenti hanno bisogno di contenere l’antimateria in una trappola o raffreddarla a temperature di poco superiori allo zero assoluto. E poiché la gravità è la più debole delle forze fondamentali, i fisici dovrebbero utilizzare particelle di antimateria prive di carica per evitare l’interferenza della più potente forza elettrica.

6. L’antimateria si studia nei deceleratori di particelle

Avete mai sentito parlare di acceleratori di particelle, ma sapete che vi sono anche i deceleratori? Il CERN ospita una macchina chiamata deceleratore di antiprotoni, costituito da un contenitore circolare che può catturare e rallentare gli antiprotoni per studiarne proprietà e comportamento.

In un acceleratore di particelle circolare come il Large Hadron Collider, le particelle ricevono un impulso di energia ogni volta che completano una rotazione. I deceleratori lavorano in senso inverso; invece di un impulso di energia, a loro favore, le particelle ne ricevono uno in senso contrario rallentandone la velocità. 

Il deceleratore di antiprotoni al CERN decelera gli antiprotoni prima di essere inviati ai diversi esperimenti che studiano l’antimateria.
Maximilien Brice/CERN

7. I neutrini potrebbero essere le antiparticelle di se stessi

Una particella di materia e la sua partner dell’antimateria, trasportano cariche di segno opposto, facendo si che si possano distinguere. I neutrini – particelle quasi senza massa che raramente interagiscono con la materia – non possiedono carica. Gli scienziati credono che possano appartenere alle cosiddette particelle di Majorana, una ipotetica classe di particelle che rappresentano le antiparticelle se stesse.

Per determinare se è questo il caso, gli scienziati cercano un cosiddetto decadimento doppio-beta in assenza di neutrino. Alcuni nuclei radioattivi decadono simultaneamente, emettendo due elettroni e due neutrini. Se i neutrini dovessero essere fossero le antiparticelle di se stesse, si dovrebbero annichilire a vicenda subito dopo il doppio decadimento, e gli scienziati dovrebbero vedere solo i due elettroni.

Osservare i neutrini di Majorana potrebbe aiutarci a spiegare il perché esiste la simmetria materia-antimateria. I fisici ipotizzano che i neutrini di Majorana potrebbero essere sia leggeri che pesanti. Quelli leggeri oggi esistono, e quelli pesanti potrebbero essere esistiti solo subito dopo il Big Bang. Questi neutrini pesanti di Majorana avrebbero dovuto decadere asimmetricamente, conducendo ad una piccola quantità di materia rimanente, che ha permesso successivamente all’Universo di esistere.

8. L’antimateria viene utilizzata in medicina

La tomografia ad emissione di positroni utilizza i positroni per generare una immagine del corpo ad alta risoluzione. I positroni emessi da isotopi radioattivi (come quelli che si trovano nelle banane) si legano alle sostanze chimiche, come il glucosio, che sono normalmente utilizzate dal corpo umano. Questi composti raggiungono il flusso sanguigno, dove si decompongono in naturalmente, emettendo dei positroni che incontrano gli elettroni contenuti nel corpo umano. Queste particelle si annichiliscono a vicenda, producendo raggi gamma che sono utilizzati per ricostruire le immagini. 

I medici possono già colpire i tumori con un raggio molto preciso di protoni che rilasciano la loro energia solo dopo essere passati attraverso i tessuti sani lasciandoli indenni. Ma gli scienziati che lavorano agli esperimenti sulla cellula con antiprotoni (ACE) al CERN stanno studiando l’efficacia e la possibilità di utilizzare invece gli antiprotoni, che forniscono un impulso maggiore di energia.  Questa tecnica si è rivelata efficace per le cellule cancerogene di criceto, ma i ricercatori stanno conducendo gli studi per applicarli alle cellule umane.

Al CERN gli esperimenti sulla cellula con antiprotoni (ACE), un fascio di particelle entra in un tubo di cellule al centro di un recipiente per indagare l’utilizzo dell’antimateria per il trattamento dei tumori.
Maximilien Brice/CERN

9. Resti di antimateria potrebbe ancora essere in agguato nello spazio

Per risolvere il problema della asimmetria materia-antimateria, gli scienziati cercano i resti dell’antimateria rimasta dopo il Big Bang. Essi ricercano queste particelle utilizzando lo spettrometro magnetico a particelle alfa (AMS), un rivelatore di particelle è stato posto sulntetto della Stazione Spaziale Internazionale.

L’AMS contiene un campo magnetico che devia il percorso delle particelle cosmiche per separare la materia dall’antimateria. I suoi rivelatori stabiliscono e identificano le particelle che vi passano attraverso.

10. L’antimateria può alimentare le navi spaziali

Poiché una manciata di antimateria può produrre una grande quantità di potenza, questo la rende un carburante appetibile per i futuristici veicoli spaziali della fantascienza. 

La propulsione ad antimateria dei razzi è ipoteticamente possibile, ma al momento non possediamo la tecnologia necessaria per una produzione di massa o stivare l’antimateria nel volume necessario. Un giorno, potremo immaginare che diventi reale e poter creare o immagazzinare abbastanza antimateria, per viaggi interstellari-a propulsione di-antimateria.

Riconoscimenti

Questo articolo è stato riprodotto per gentile concessione della rivista Symmetryw1, dove originariamente è stata pubblicata

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Web References

  • w1 – La rivista Symmetry è una pubblicazione gratuita on line che si occupa di fisica delle particelle. È pubblicata grazie alla collaborazione del Laboratorio Acceleratore Nazionale Fermi (Fermi National Accelerator Laboratory) e lo SLAC Laboratorio Acceleratore Nazionale (National Accelerator Laboratory), negli USA. Per leggere l’articolo originale, visitate il Symmetry website.

Author(s)

Diana Kwon è una giornalista scientifica freelance con base a Berlino, Germania. Il suo lavoro è apparso sia in stampa che online in numerose pubblicazioni incluso Scientific American, Quarz e New Scientist.


Review

L’articolo fornisce una buona introduzione all’antimateria, fornendo esempi di come le antiparticelle sono importanti nella nostra vita quotidiana e di come esse possano diventare anche più importanti socialmente. Questo articolo cerca di portare l’antimateria più vicino alla vita di tutti i giorni, dimostrando come queste piccole antiparticelle sono prodotte sulla Terra attorno a noi, e persino da noi stessi.

Scritto in uno stile che stimola ulteriori ricerche, l’articolo non solo offre un buon punto di partenza per discussioni su argomenti riguardanti la fisica delle anti particelle, ma anche come può essere utilizzato per stimolare dibattiti fra gli studenti. Gli studenti possono partire considerando il fatto che la fantascienza e la scienza a volte interagiscano – e quale delle due anticipa l’altra – e l’articolo può essere altresì collegato alle discipline non scientifiche come la storia, la letteratura e le arti.


Marco Nicolini, insegnante di fisica, matematica e astronomia, e giornalista scientifico, alla Scuola Europea di Brussels II, Belgio




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