A caccia di antimateria

In questo momento al CERN di Ginevra sono attivi ben sei esperimenti in corsa per comprendere la natura dell’antimateria. Sono tutti collocati in un hangar dal soffitto molto alto ed alcuni quasi si intrecciano, sono tutti in competizione tra loro ed utilizzano a turno l’Antiproton Decelerator un anello di circa 182 metri di circonferenza alimentato dagli stessi acceleratori del suo fratello più grande e famoso del laboratorio, il Large Hadron Collider (LHC). Gli antiprotoni entrano nella macchina viaggiando quasi alla velocità della luce. Come dice il nome, il deceleratore rallenta le particelle, producendo un flusso di antiprotoni a cui gli esperimenti devono accedere a turno.
I ricercatori devono cercare di ingabbiare quanto più a lungo possibile le antipartecelle perchè come si sa, quando antimateria e materia vengono in contatto si annichiliscono lasciando un piccolo sbuffo energetico.
Gli scienziati lavorano da decenni per tenere fermi gli antiprotoni e gli atomi di anti-idrogeno che si possono produrre con gli antiprotoni per un tempo abbastanza lungo da consentirne lo studio.
Come sappiamo le antiparticelle di antimateria sono in tutto uguali alle particelle della materia tranne che per la carica e lo spin.
La scoperta dell’antimateria è dovuta al geniale fisico britannico Paul Dirac che nel 1928 formulò un’equazione che descrive il comportamento di un elettrone che si muove quasi alla velocità della luce. Dirac capì che dovevano esserci una soluzione positiva e una negativa alla sua equazione. Successivamente, interpretò questa bizzarria matematica come un’indicazione dell’esistenza di un antielettrone, ora chiamato positrone, e teorizzò l’esistenza di un corrispettivo di antimateria per ogni particella.
La prima conferma sperimentale è avvenuta nel 1932 a cura del fisico sperimentale Carl Anderson individuando l’esistenza del positrone. Anderson trovò una particella che sembrava un elettrone, tranne per il fatto che, attraversando un campo magnetico, la sua traiettoria deviava nella direzione opposta. I fisici capirono presto che nelle collisioni venivano routinariamente prodotti positroni: facendo collidere le particelle con molta energia, parte di quest’ultima poteva essere convertita in coppie di materia-antimateria.

Secondo la teoria fisica più accreditata la materia e l’antimateria avrebbero dovuto essere create in uguali quantità nell’universo primordiale, per poi scontrarsi e annichilirsi. Ma non è andata così, la materia è sopravvissuta in quantità enormemente superiori all’antimateria (e grazie a questo che noi esistiamo) e l’origine di questo fondamentale squilibrio rimane uno dei più grandi misteri della fisica.

Creare positroni è abbastanza semplice. Le particelle sono prodotte in determinati tipi di decadimento radioattivo e possono essere facilmente catturate con campi elettrici e magnetici. Ma l’antiprotone, che ha massa maggiore, è un’altra storia. Gli antiprotoni possono essere prodotti facendo collidere protoni su un metallo denso, ma emergono da queste collisioni muovendosi troppo in fretta per essere catturati in una trappola elettromagnetica. Quindi non c’è abbastanza tempo per studiarli a fondo e carpirne i segreti.

L’Antiproton Decelerator, ha iniziato a funzionare nel 2000 con tre esperimenti. Imbriglia le antiparticelle, prima concentrandole con l’utilizzo di magneti e poi rallentandole grazie a forti campi elettrici. Inoltre, fasci di elettroni scambiano calore con gli antiprotoni, raffreddandoli senza toccarli, perché entrambi i tipi di particelle sono carichi negativamente e perciò si respingono. Il processo complessivo rallenta gli antiprotoni a un decimo della velocità della luce. Questa è una velocità ancora troppo elevata per lavorare, quindi ora ognuno dei sei esperimenti utilizza tecniche per rallentare ulteriormente e intrappolare gli antiprotoni.

Se gli esperimenti dovessero individuare qualsiasi differenza tra materia e antimateria, sarebbe una scoperta fondamentale. Significherebbe la violazione di un principio chiamato simmetria di carica, parità e inversione temporale (CPT). Secondo questo principio, un universo visto allo specchio, pieno di antimateria e in cui il tempo scorre all’indietro, avrebbe le stesse leggi fisiche del nostro. La simmetria CPT è la spina dorsale di teorie come la relatività e la teoria quantistica dei campi. La violazione di questo principio provocherebbe un autentico sconquasso nel mondo della fisica per come la conosciamo.

Tra i tanti risultati attesi dalla ricerca in questo specifico settore indizi che ci aiutino meglio a comprendere effetti e natura dell’energia oscura e della materia oscura.

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