Materia/Antimateria-Fisica

La nascita dell'antimateria è fatta risalire al 1928, quando il fisico teorico britannico Paul Dirac (1902 – 1984) formula un'equazione per descrivere il comportamento di un elettrone che si muove quasi alla velocità della luce che ammette una soluzione positiva e una negativa. Dirac interpreta questa bizzarria matematica come indicazione dell'esistenza di un antielettrone, successivamente chiamato positrone, cosa per cui teorizza l'esistenza, per ogni particella elementare conosciuta,  di una corrispettiva particella di antimateria. 

Materia e antimateria:

·     sono identiche, tranne che per la carica opposta;

·     si annichilano quando si incontrano, emettendo una gran quantità di energia;

·     dovrebbero comportarsi allo stesso modo sotto l’influenza della gravità, fatto però ancora non sperimentato che lascia aperte le ipotesi sulla gravita inversa.

Nel 1932 il fisico sperimentale statunitense Carl Anderson (1905 – 1991) conferma l'esistenza del positrone, quando trova una particella che sembrava un elettrone, tranne per il fatto che, attraversando il campo magnetico in una camera a nebbia, la sua traiettoria devia nella direzione opposta.

Negli anni 50’ i fisici capiscono che nelle collisioni tra particelle molto energetiche parte dell’energia viene convertita in coppie di particella-antiparticella, sfruttano questa conversione dell'energia in particelle per produrre antiprotoni, la conferma  definitiva dell’equivalenza massa energia teorizzata nel 1905 da Albert Einstein. 

Nasce l’idea che antiprotoni e positroni possano essere accoppiati per produrre un antiatomo di idrogeno,interessante da confrontare con il ben noto e semplice atomo di idrogeno.

·     Creare positroni è abbastanza semplice: sono prodotti in determinati tipi di decadimento radioattivo (decadimento beta in cui un neutrone è convertito in un protone, un elettrone e un antineutrino elettronico) e possono essere facilmente contenuti con campi elettrici e magnetici. 

·     Creare antiprotoni, di massa più di 1.000 volte maggiore dei positroni, è più complesso: sono prodotti facendo collidere protoni su un metallo denso, emergono da queste collisioni muovendosi troppo in fretta per essere catturati in una “trappola” elettromagnetica, devono per questo essere rallentati (raffreddandoli). 

La realizzazione e studio dell’antiatomo d’idrogeno richiede anni di impegno al CERN:

·     Nel 1982 si attua il primo tentativo di rallentamento e alla cattura di antimateria con il Low Energy Antiproton Ring (LEAR). 

·     Nel 1995, con antiprotoni prodotti dall'impianto LEARN si producono i primi atomi di anti-idrogeno. 

·     Nel 2011, con l’Antihydrogen Laser PHysics Apparatus (ALPHA) successore del LEAR, si sintetizzano e intrappolano 38 atomi di anti-idrogeno per un tempo di 172 millisecondi.

·     Nel 2016 si verifica che lo spettro elettromagnetico di un antiatomo di idrogeno è coerente con quello emesso dall’atomo corrispondente.

Se un atomo di anti-idrogeno viene in contatto con la materia ordinaria si determina una gigantesca esplosione, dopo la bomba atomica a fusione e quella ad idrogeno a fissione la prossima potrebbe essere una bomba ad antimateria ad annichilazione?

Difficile crederlo vista la difficoltà di contenere solo 38 antiatomi di H per così poco tempo. 

Per produrre antimateria non servono necessariamente gli acceleratori di particelle, essa appare spontaneamente in conseguenza dei principi della meccanica quantistica.

La meccanica quantistica introducendo il concetto di antimateria costringe a rivedere profondamente il concetto di vuoto della fisica classica inteso come totale assenza di materia (nessuna particella) ed energia, anzi meglio a negarne l’esistenza stessa.

Secondo il principio d’indeterminazione di Heisenberg, energia e tempo, come anche posizione e velocità, non possono essere misurate con un'accuratezza infinita. 

Se lo spazio vuoto avesse energia nulla per lungo tempo non ci sarebbe indeterminazione, il principio di Heisenberg sarebbe violato, devono di conseguenza esistere fluttuazioni quantistiche nello spazio vuoto, che generano l’indeterminazione necessaria a rispettare il principio d’indeterminazione. Il vuoto quantistico è un equilibrio dinamico:

·     di particelle di materia/antimateria in continua creazione/ annichilazione; 

·     di massa/energia in continua reciproca trasformazione.

Le fluttuazioni quantistiche rendono il vuoto un ribollire di coppie particella/antiparticella in continua creazione/annichilazione, definite virtuali perché non osservabili e incapaci di produrre effetti fisici (a meno che non ci sia un buco nero nelle vicinanze).

Se nel vuoto quantistico si mantiene la simmetria materia/antimateria, nell’Universo che osserviamo di antimateria se ne trova in misura molto inferire alla materia, cosa che genera una asimmetria, capire come questo sia accaduto porta necessariamente a parlare di Big Bang.

Quella del Big Bang non è altro che una teoria (attualmente priva di una verifica sperimentale definitiva), quella più accreditata tra quelle proposte perché può spiegare la maggior parte dei fenomeni che riguardano l’Universo e ha saputo prevedere la radiazione di fondo cosmica.

Il Big Bang non è una esplosione che si svolge nel tempo e nello spazio infiniti pensati da Newton come accade alle esplosioni di cui abbiamo esperienza. Il Big Bang crea il tempo e lo spazio tridimensionale, lo spazio-tempo relativistico che si espande esso stesso, assieme a tutto quello che contiene materia, energia, pianeti, stelle e galassie. 

Nel momento del Big Bang tutta la materia e l’energia esistenti sono concentrate in una piccola regione di spazio, formando un “brodo primordiale” così denso e caldo (molto più che l’interno di una stella) da non potere essere immaginato. 

Dopo il Big Bang, l’Universo, incluso lo spazio-tempo, si è andato via via espandendo e raffreddando: il tempo ora esiste e permette di scandire la storia iniziale dell’Universo.

·     Un centesimo di secondo dopo il Big Bang, l’Universo assomiglia ad una specie di "ipersfera" caldissima in rapida espansione, la sua dimensione piccola rispetto all’Universo oggi visibile è già di 4 anni luce, l’espansione è stata rapidissima (inflazione cosmica); è costituito solo di fotoni (luce e radiazione), elettroni e positroni, la densità è enorme, circa 4 miliardi di volte quella dell’acqua.

·     Un ulteriore decimo di secondo dopo, una parte della radiazione si trasforma in materia, neutroni e protoni, i costituenti dei nuclei degli atomi; col passare del tempo i protoni aumentano rispetto a neutroni, poi si crea l'asimmetria fra materia/antimateria, probabilmente conseguentemente al fatto che i processi di decadimento di particelle/antiparticelle non sono perfettamente speculari, violano la simmetria CP (C, coniugazione di carica; P, parità, inversione delle coordinate spaziali) che lega materia e antimateria, come dimostrato nel 1967 da Sacharov.

·     Dopo circa tre minuti, protoni e neutroni si uniscono a causa delle forze nucleari per formare i nuclei degli atomi più piccoli e leggeri Idrogeno, Elio e Litio, la temperatura dell’Universo è di un miliardo di gradi! 

·     Dopo altri 30 minuti, i nuclei degli atomi leggeri si sono completamente formati.

·     Dopo 700.000 anni, la temperatura dell’Universo scende sufficientemente da permettere agli elettroni di legarsi ai nuclei a causa della forza elettromagnetica per formare gli atomi più leggeri di idrogeno, elio e litio; solo da questo momento quando la materia è formata da atomi elettricamente neutri, l’Universo diviene trasparente permettendo alla luce di propagarsi; prima la luce è continuamente assorbita e diffusa dalle particelle cariche libere e l’Universo è opalescente. A loro volta, gli atomi più in gigantesche nubi a causa della forza di gravità (quella elettromagnetica non agisce tra atomi neutri, cioè non carichi elettricamente).

·     Dopo un miliardo di anni, 1.000.000.000, gli atomi formano le prime galassie e le prime stelle; successivamente a partire dagli atomi di idrogeno ed elio, mediante le reazioni di fusione nucleare che avvengono nel nucleo delle stelle, si formano gli atomi più pesanti, tra cui quelli di carbonio necessari alla vita. 

·     Dopo 13-14 miliardi di anni, dalla comparsa del carbonio arriva l’Uomo sulla Terra 

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·     Dopo altri 100.000 anni, l’Uomo scopre il fondo di radiazione cosmica, l’eco del Big Bang che ha una temperatura di -270 C°.