Di Alessandro Palmisano il 17-7-03
La scoperta della prima antiparticella (il positrone) avvenne alla fine degli anni Venti per merito di Dirac. Egli
era intento a trovare una soddisfacente equazione relativistica
dell’elettrone. Questa ricerca lo portò alla formulazione della
meccanica quantistica relativistica, teoria che attualmente descrive
con successo il comportamento di tutte le particelle note. Tale teoria
prevedeva per ogni particella dotata di carica l'esistenza di un'altra
particella dotata di massa identica e carica opposta: quella che oggi
chiamiamo antiparticella. Da qui egli ipotizzò l'esistenza
dell'antimateria: ma molti fisici restarono perplessi.
Nel 1932 Carl Anderson riuscì a fornire
una evidenza concreta dell'esistenza dell'antimateria. La scoperta
avvenne nel corso di un esperimento volto a studiare la natura dei
Raggi Cosmici, il flusso di particelle provenienti dallo spazio che
ogni istante colpisce il nostro pianeta. Fra tante tracce ordinarie,
Anderson ne identificò una particolare, che corrispondeva al passaggio
di una particella con massa uguale all'elettrone ma carica elettrica
opposta, cioè positiva: era il primo segno tangibile dell'esistenza
dell'antielettrone, che oggi chiamiamo positrone. Da allora le evidenze
sperimentali dell'esistenza dell'antimateria si sono succedute a ritmo
crescente ed attualmente la creazione di antiparticelle è un fenomeno
di routine in numerosi laboratori.
Simmetria e modello standard
Tuttavia i fisici hanno dedotto, per via teorica, l’esistenza di questo
tipo di materia, servendosi del concetto di simmetria, sul quale si
basa la fisica delle particelle elementari.
Consideriamo un cubo: ha 6 facce uguali e, se lo si ruota, si può
portare una faccia a prendere il posto di un’altra. Se del cubo noi
possiamo vedere solo 5 facce e ne conosciamo la sua simmetria, possiamo
dedurre che vi sia una sesta faccia.
La stessa cosa vale per le particelle. Noi ne conosciamo solo alcune e,
dal modello standard (ovvero il sistema teorico che inquadra le
particelle elementari), deduciamo che ce ne siano altre.
L'annichilazione
Per quanto ne sappiamo ora, a qualsiasi particella
corrisponde la sua antiparticella; questo significa che ad un elettrone
corrisponde un anti-elettrone, chiamato positrone avente la stessa
massa ma carica opposta: è a tutti gli effetti un elettrone con carica
positiva. Alla stessa maniera ad un protone corrisponde l’esatta sua
antiparticella di carica negativa, detta semplicemente antiprotone.
Di cruciale importanza è il fatto che quando particelle ed
antiparticelle entrano in contatto fra loro, tendono molto rapidamente
ad annichilirsi , ovvero a fondersi l'una con l'altra, trasformando
tutta l'energia in loro possesso in radiazione elettromagnetica: una
forma di energia analoga alla luce e alle onde radio ma di intensità
molto maggiore.
Ciò è un’altra prova del fatto che la massa (e dunque la materia) non è
altro che una particolare forma di energia, come previsto dalla teoria
di Einstein.
L'annichilazione fra particelle e antiparticelle è il motivo per cui,
in un Universo come il nostro, dove vi è una dominio della materia, è
molto difficile osservare l'antimateria. Tuttavia, sotto certe
condizioni questo processo può essere invertito, cioè possono crearsi
coppie di particelle ed antiparticelle a partire da radiazione
elettromagnetica di sufficiente energia.
Dov’è finita l’antimateria?
Come abbiamo visto, un’antiparticella è identica alla corrispondente
particella se non per un particolare: ha carica opposta. Questo
particolare è sufficiente a far sì che, quando le due si toccano,
smettano entrambe di esistere sotto forma materiale e si trasformino in
energia.
Oggi non è ancora chiara la ragione per cui il nostro mondo sia
composto solo di materia. In teoria potrebbero esistere antigalassie
isolate: per noi sarebbero indistinguibili da quelle normali, purché
non toccassero materia normale: in quel caso il processo di
annichilazione genererebbe intensi lampi di luce. Tuttavia di questi
lampi non v’è traccia, per cui, secondo l’ipotesi più accreditata,
l’antimateria è scomparsa del tutto nei primissimi istanti di vita
dell’Universo. Tutta la materia che ci circonda, dai nostri corpi fino
ai più remoti pianeti, è formata da atomi, sistemi composti da
particelle di carica negativa, gli elettroni , orbitanti attorno ad un
nucleo centrale di carica elettrica positiva.
Ma è stato sempre così?
Questo quesito è all'origine di uno dei problemi più affascinanti della fisica moderna.
Le leggi matematiche con cui i fisici descrivono la struttura
dell'atomo prevedono che, oltre alla materia ordinaria, esista anche
un'altra forma di materia: la cosiddetta antimateria , formata da
antiparticelle del tutto identiche a quelle che ci circondano salvo per
il fatto di avere cariche opposte.
L'antimateria comprende ad esempio antielettroni, uguali agli elettroni
ma dotati di carica elettrica positiva, antinuclei dotati di carica
negativa, e così via. Queste antiparticelle sono prodotte quasi
quotidianamente nei laboratori di alte energie. Eppure, nell'Universo
che conosciamo non vi è traccia di antiatomi e, ancor meno, di una
sorta di mondo alla rovescia, con pianeti e galassie fatti di
antimateria. Da quasi 50 anni fisici e cosmologi sono impegnati a
capire perché attualmente l'antimateria sia quasi totalmente assente.
Fabbrica di antiatomi
Usando gli
antielettroni e gli antiprotoni si possono produrre atomi di
antiidrogeno. Secondo il modello standard, gli antiatomi dovrebbero
avere lo stesso colore degli atomi corrispondenti. Tuttavia, per quanto
riguarda il peso, gli studi sono tuttora in corso. Non è detto infatti
che la gravità agisca nello stesso modo per la materia e l’antimateria.
L’antimateria si può creare in laboratorio (CERN).
Dall'annichilazione fra protoni ed antiprotoni, si ottengono: neutrini,
muoni e pioni, che sono i mattoni che tengono uniti gli atomi, che
infine decadono ulteriormente in radiazioni Gamma. I primi, cioè i
neutrini, non sono influenzati dai campi magnetici appunto perché sono
neutri, sono quindi inutilizzabili per i nostri scopi. I muoni ed i
pioni invece avendo una carica sono influenzati dai campi magnetici,
possono quindi essere indirizzati con un opportuno campo magnetico
nella direzione in cui desideriamo e con il solito principio di azione
reazione spostarci nello spazio.
Uno degli utilizzi più interessanti - anche se,
al momento, utopico - dell’antimateria può essere quello di usarla come
carburante. Il processo di annichilazione, infatti, è l’unico che
trasforma interamente la massa in energia.
In teoria, basterebbero
10 grammi di antimateria per raggiungere Marte in un mese con una
navicella spaziale. Ciò è possibile perché l’annichilazione è:
- 10 miliardi di volte più efficiente della combustione
- 1000 volte più della fissione
- 300 volte più della fusione nucleare.
Attraverso
il controllo di questo processo, se si riuscisse a costruire un motore
di questo tipo, si è calcolato che si potrebbero costruire astronavi
che nelle condizioni ideali potrebbero raggiungere velocità massime
dell'ordine del 60% della velocità della luce: qualcosa come 180.000
km/s!
Tuttavia, al momento vi sono dei problemi di carattere
pratico da risolvere per rendere verosimile questo utilizzo. Il primo
problema è legato ai costi, dato che la spesa per produrre un solo
milligrammo di antimateria si aggira intorno ai 100 miliardi di
dollari. Il secondo riguarda la sua conservazione. Come contenitore
attualmente si usano “trappole” elettromagnetiche capaci di accumulare
fino a 10 mld di antiprotoni ma solo per una settimana.
Fonti:
Ugo Amaldi, “Le idee della fisica 3”, Zanichelli
Sito web dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare: http://www.infn.it/
“Le Scienze”
