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L’antimateria è una sostanza rarissima, difficilissima da studiare e da produrre, ma ora è un po’ meno misteriosa e sembra obbedire ad una delle leggi caposaldo della meccanica quantistica. Tuttavia capire i meccanismi che regolano il lato oscuro della materia potrebbe avere importanti conseguenze negli studi che si occupano dell’origine dell’universo e della natura della materia stessa
Antimateria è il nome utilizzato dai fisici per indicare la materia costituita da antiparticelle, ovvero particelle aventi la stessa massa delle particelle elementari previste nel modello standard, ma con proprietà quantistiche opposte. Ad esempio un positrone, l’anti-elettrone, ha la stessa massa di un elettrone, ma carica elettrica positiva. La cosa curiosa è che se due antiparticelle simmetriche entrano in contatto si verifica il fenomeno dell’annichilazione, ovvero entrambe le particelle si trasformano in energia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche ad alta energia. In linea di principio materia e antimateria non possono coesistere in maniera stabile ed in fatti è proprio così: esistono solo piccolissime quantità di antimateria osservabili nell’universo con le attuali tecnologie e conoscenze. Una parte viene prodotta in laboratorio negli esperimenti di fisica delle particelle, la parte restante viene prodotta dai processi astronomici particolarmente energetici, ad esempio l’interazione dell’atmosfera con i raggi cosmici nella fascia di van Allen. In ogni caso queste piccole quantità non possono essere conservate a lungo e finiscono per annichilirsi in pochi istanti con la materia circostante.
Da una parte ci sono equazioni e teorie matematiche che descrivono molto bene l’antimateria, dall’altro lato è davvero difficile verificarle per procedere con lo sviluppo di un modello accurato per via dell’annichilazione. Ecco perché i risultati che hanno a che fare con le sperimentazioni pratiche sull’antimateria hanno una rilevanza importante per il mondo scientifico e tecnologico. In questo caso è stato possibile dimostrare che anche l’antimateria gode di una proprietà fondamentale della meccanica quantistica: il dualismo onda-particella.
La prima “fotografia” scattata ad un positrone
Meccanica quantistica: il dualismo onda-particella
Prima di procedere con la descrizione dell’esperimento e dei suoi risultati vale la pena capire che cosa si intenda con il concetto di dualismo onda-particella. Nella fisica classica eravamo abituai a considerare le particelle, studiate tramite la meccanica statistica di Boltzmann, e le onde elettromagnetiche, studiate attraverso le equazione di Maxwell, due entità distinte. La meccanica quantistica invece dimostra che non è così: si tratta di due facce della stessa entità che non è più né un’onda, né una particella, l’oggetto quantistico. Il termine meccanica quantistica significa, in breve, “studio del moto dei quanti“. Questo perché Planck si accorse che per spiegare il fenomeno della radiazione del corpo nero – la cui predizione teorica calcolata tramite un modello classico cozzava con le osservazioni sperimentali – era necessario considerare quantizzati gli scambi di energia tra due corpi. In pratica l’energia viene scambiata inviando dei “pacchetti” detti quanti di energia.
Un altro grosso colpo alla fisica classica è stato inferto poco da Einstein che indagava sull’effetto fotoelettrico, ovvero la capacità dei materiali di generare una piccola corrente elettrica se colpiti dalla luce. Einstein scoprì anche in questo caso che i risultati sperimentali erano spiegabili solamente se si supponeva che la luce non fosse una radiazione elettromagnetica, ma un fascio di corpuscoli detti fotoni. L’interazione tra fotoni ed elettroni era l’unico modo per spiegare l’effetto fotoelettrico. Si erano quindi create due diverse formulazioni per modellare le radiazioni elettromagnetiche: in alcuni casi la luce andava modellata come un’onda e in altri come un flusso di corpuscoli, a seconda del fenomeno che si voleva spiegare.
Caratteristiche dell’effetto fotoelettrico
L’ipotesi di De Broglie e la doppia svolta
La dualità della luce rimase un mistero fino a quando De Broglie ebbe un’intuizione tanto geniale, quanto rivoluzionaria. La luce manifesta proprietà tipiche della materia in certe situazioni – ad esempio quanto interagisce per effetto fotoelettrico con gli elettroni – come la massa e la quantità di moto e proprietà tipiche delle onde – ad esempio quando accendiamo una lampadina – come la lunghezza d’onda; De Broglie ipotizzò che ci fosse un legame tra l’energia calcolata tramite la quantità di moto di una particella che viaggia alla velocità della luce (tipica delle particelle) e quella calcolata tramite la lunghezza d’onda (tipica delle onde). Si poteva quindi associare in maniera univoca ad una particella, un lunghezza d’onda, in pratica si ipotizzò che non ci fosse distinzione tra materie ed onde, ma che qualsiasi particella si comportasse sia come un’onda che come un corpuscolo a seconda della situazione. La dimostrazione non tardò ad arrivare: Davisson e Gerner dimostrarono che gli elettroni sparati contro un reticolo di diffrazione producevano delle figure di diffrazione, un fenomeno che si verifica solo per le onde. Altri esperimenti poi dimostrarono lo stesso per molte altre particelle. In pratica non esistono più onde e particelle, esistono gli oggetti quantistici che seguono le leggi della meccanica quantistica.
Naturalmente le cose sono molto più complicate in realtà, ma l’idea di base per spiegare uno dei concetti fondamentali della meccanica quantistica è proprio questo. Oggi gli scienziati hanno dimostrato che lo stesso fenomeno si verifica anche per l’antimateria.
Figura di diffrazione generata da un elettrone che dimostra la natura ondulatoria della materia
Antimateria: la meccanica quantistica colpisce ancora
L’esperimento è nato da una collaborazione che parla in gran parte italiano e si deve a Politecnico di Milano, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn), Università di Milano e Centro Albert Einstein (Aec) per la Fisica Fondamentale e Laboratorio di Fisica delle Alte Energie (Lhep) dell’Università di Berna. I fisici hanno utilizzato i positroni, gli anti-elettroni, per studiare il comportamento dell’antimateria e hanno pubblicato i risultati sulla rivista Science Advances. Marco Giammarchi, della sezione dell’Infn di Milano e responsabile della collaborazione Quplas (QUantum interferometry with Positrons and LASers), che ha realizzato l’esperimento, ha dichiarato all’agenzia ANSA:
È un risultato storico dimostrare che l’antimateria segue le leggi della meccanica quantistica.
La tecnica utilizzata è analoga a quella con cui si effettuarono le sperimentazioni per dimostrare il dualismo particella-onda per la materia ordinaria. La antiparticelle sono state lanciate da una sorgente verso un rivelatore, interponendo lungo il percorso dei reticoli di diffrazione – che non sono altro che delle grate con fenditure molto sottili. Se la particella si comporta come un’onda in trasmissione si evidenziano degli effetti di diffrazione ed interferenza. In pratica se le particelle si comportassero come tali, viaggerebbero in linea retta, producendo una figura sul rivelatore analoga a quella delle fenditure. Invece si sono evidenziate delle frange, dette frange di diffrazione, ovvero la ripetizione periodica dell'”ombra” delle fenditure.
Uno strumento utilizzato per studiare la diffrazione nella particelle elementari
Antimateria: l’origine dell’universo
Lo studio dell’antimateria è fondamentale per spiegare tanti misteri ancora irrisolti. Primo tra tutti l’origine dell’universo. Infatti secondo alcuni modelli, dopo il Big Bang si sarebbero dovute originare le stesse quantità di materia ed antimateria, cosa che ovviamente non è successo perché oggi vediamo un universo composto solamente – o quasi – da materia ordinaria. Si parlano di una asimmetria nelle quantità, ma alcune teorie si spingono oltre e parlano di multiversi, con universi paralleli fatti di antimateria che pareggerebbero il bilancio. Chi ha ragione? Non si può sapere, ma lo studio delle proprietà dell’antimateria potrebbe dare un svolta a tutti questi studi.
Il Big Bang è ancora un grande mistero e l’antimateria potrebbe esserne la chiave
Antimateria: la gravità inversa
La simmetria originale tra materia ed antimateria può essere spiegata anche attraverso un’altra teoria che i fisici sono impazienti di verificare. Si tratta della gravità inversa: si ipotizza che l’antimateria possa possedere una massa negativa, in altre parole la forza di gravità tende a respingere i corpi e non ad attrarli. Tramite questa teoria si può spiegare non solo la simmetria tre materia ordinaria ed antimateria, ma anche l’espansione accelerata dell’universo senza ricorrere all’energia oscura. Inoltre si potrebbe dare una svolta alla teoria della gravità quantistica che necessità di nuovi stimoli empirici per decollare e compiere dunque un importante passo verso una teoria del tutto. La prossima sfida per i fisici sarà proprio capire come reagisce l’antimateria alla forza di gravità, tramite un tecnica detta “interferometria quantistica“. L’idea è di utilizzare una coppia di elettroni e positroni, detta anche positronio, per studiare come le diverse particelle si comportano sotto l’effetto della gravità. Nell’esperimento si sparerà un fascio di positronio attraverso un campo gravitazionale, mentre un interferometro misurerà la deviazione del fascio con una precisione nell’ordine dei millesimi di millimetro e permetterà di capire come la gravità vada a deviare le traiettorie delle due particelle. Il professor Giammarchi spiega:
Se l’attrazione della forza di gravità sull’antimateria fosse di segno opposto, il positrone non cadrebbe.
Antimateria: applicazioni pratiche
Infine l’antimateria ha anche delle applicazioni tecnologiche pratiche molto utili anche oggi, come la PET (tomografia a emissione di positroni), una tecnica di imaging medico molto utilizzata per le diagnosi di tumori o altre alterazioni dei tessuti. In poche parole si introduce una sostanza che emette positroni per decadimento; essi interagiscono maggiormente con i tessuti malati, generando numerosi processi di annichilazione che generano fotoni rilevabili dalla strumentazione. Riuscire ad identificare fonti naturali di antimateria inoltre potrebbe dare una svolta ai problemi energetici del mondo: tramite il processo di annichilazione di un chilogrammo di antimateria si possono produrre circa 70 volte l’energia che si genere dalla fusione di un chilogrammo di idrogeno ed in modo totalmente pulito. Insomma lo studio dell’antimateria è fondamentale non solo per colmate la nostra curiosità, ma in futuro potrebbe avere importanti ripercussioni livello tecnologico.
Un macchinario per effettuare la PET
Dalla sezione scienze è tutto! Auguriamo un buon lavoro ai fisici italiani e di tutto il mondo perché possano presto svelare tutti i misteri dell’universo! E voi continuate a seguirci per non perdevi nulla dal mondo della ricerca scientifica!
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