Antimateria esperimento Athena

From: Mystic <zagos_at_libero.it>
Date: 1 Oct 2002 03:45:25 -0700

vi riporto un articolo comparso su zadig.it (visitate il sito che e' molto bello!)

notizia di questi giorni: i ricercatori del progetto ATHENA sono
riusciti a produrre 50.000 atomi di anti-idrogeno. Al di l� della
difficolt� tecnica di questa produzione che da sola meriterebbe
attenzione, la sua realizzazione permetter� di dare contorni forse
nuovi, forse definitivi a una serie di domande ancora aperte
sull'antimateria.

Che cosa � l'antimateria
Per chiarire che cosa si intende con antimateria, facciamo una breve
digressione storica. Siamo intorno agli anni venti. Due nuove teorie
stanno scuotendo le fondamenta della scienza: la teoria della
relativit� einsteiniana e la fisica dei quanti. Nel 1905 Einstein aveva
descritto la quantit� di energia E contenuta in una particella di massa
m a riposo, attraverso la famosa relazione E = mc2.

La costante c indica la velocit� della luce ed � pari a 299.792.458
metri al secondo. Nel frattempo gli esperimenti avevano mostrato che la
luce si comporta a volte come un'onda e altre volte come se fosse un
flusso di microscopiche particelle. Max Planck ipotizza che
l'interazione tra radiazione elettromagnetica (di cui � fatta la luce)
e materia avvenga per trasferimento di quantit� discrete di energia che
chiamano quanti.

Questo implica che la luce si comporta sia come un'onda sia come un
fascio di particelle. La fisica quantistica nasce dallo sforzo di
applicare questo stesso concetto di quanto di energia all'atomo e alle
sue parti costituenti.

Il problema � che la meccanica quantistica non � relativistica, nel
senso che la sua interpretazione dei fenomeni fisici vale solo per
particelle che si muovono "lentamente" e cessa di sussistere se le
particelle si muovono a velocit� "relativistiche", ovvero prossime alla
velocit� della luce.

Nel 1928 il fisico Paul Dirac riesce a far convergere teoria della
relativit� ristretta e meccanica quantistica in un'equazione in grado
di spiegare le propriet� magnetiche e di spin dell'elettrone. L'energia
totale E di una particella di massa m che si muove a velocit� v si
ottiene risolvendo l'equazione

E2 =(mc2)2+(mvc)2

dove c � ancora la velocit� della luce.

Rispetto a E l'equazione � di secondo grado e ha sempre due soluzioni
di segno opposto, ma di eguale valore assoluto. Il problema � che nella
fisica classica, l'energia negativa non esiste. Dirac ipotizza che tale
soluzione corrisponde a una anti-particella con la stessa massa
dell'elettrone e carica positiva (anzich� negativa come l'elettrone).
L'ipotesi di Dirac crea grande scalpore e affascina allo stesso tempo:
comincia la caccia all'anti-elettrone.

Intorno all'inizio del secolo Victor Hess scopre una fonte naturale di
particelle ad alta energia: i raggi cosmici. Si chiamano cos� perch�
vengono dallo spazio cosmico e, nell'impatto con l'atmosfera terrestre,
producono fitti sciami di particelle a bassa energia. Nel 1932 Carl
Anderson utilizza uno strumento detto camera a nebbia (o camera di
Wilson) in grado di rivelare il passaggio dei raggi cosmici.

La particella, attraversando il gas che riempie la camera, lascia una
traccia della sua traiettoria fatta di una sequenza di puntini. La
camera, a sua volta, � inserita in un campo magnetico. Muovendosi
all'interno di tale campo, la particella carica, invece di andare
diritta, comincia a curvare tanto pi� quanto pi� � piccolo il suo
impulso. La direzione verso cui la particella curva � legata al segno
della sua carica elettrica. Attraverso questo rilevatore � possibile
misurare, quindi, la carica elettrica e l'impulso delle particelle
incidenti. Per misurare anche la massa, Anderson inserisce nel
rilevatore una lastra di piombo, perch�, attraversandola, la particella
perda parte della sua energia.Misurando l'impulso prima e dopo la
lastra, � possibile trarre informazioni sulla massa delle particelle.

Grazie a queste misure Anderson osserva, nel 1932, una particella con
carica positiva e massa molto minore di quella del protone. Attraverso
la misura dell'energia perduta nell'attraversare la lastra di piombo,
conclude che la particella ha la massa dell'elettrone, ma carica
opposta: il primo anti-elettrone, che si chiamer� positrone, � stato
osservato.

In realt� l'equazione di Dirac provava che per ogni particella
esistente (quindi non solo per l'elettrone) dovesse esistere un'anti-
particella avente la stessa massa, ma carica opposta. E anche il
neutrone, particella senza carica, doveva avere un anti-neutrone. Per
come era stata ipotizzata la loro struttura, se una particella e la sua
anti-particella si fossero incontrate si sarebbero dovute "annichilire"
a vicenda e l'intera loro massa si sarebbe trasformata in energia.

Una volta ipotizzata l'esistenza di queste anti-particelle, perch� non
pensare che possano anche interagire fra loro dando origine ad anti-
atomi fatti da anti-nuclei? In questo caso potrebbe esistere un
Universo parallelo fatto di anti-materia, anti-pianeti e anti-galassie
(e anti-uomini?) che si spera non incontri mai il nostro perch� in quel
caso entrambi svanirebbero in una nube di energia. Uno scenario simile
a questo viene prospettato da Dirac nel discorso pronunciato in
occasione del premio Nobel per la fisica che gli viene conferito nel
1933.

L'esistenza sperimentale dell'anti-protone dovr� per� aspettare almeno
vent'anni per essere provata e richieder� strumenti ben pi� sofisticati
della camera di Wilson. I fisici non si accontentano pi� di osservare
le anti-particelle: vogliono produrle in laboratorio. Per questo
occorrono macchinari in grado di agire sulle particelle in maniera tale
da renderle simili a raggi cosmici.

Nel 1930, Ernest Lawrence inventa il Ciclotrone, una macchina in grado
di accelerare particelle come i protoni fino a velocit� prossime a
quella della luce. A che scopo? Se una particella che si muove a questa
velocit� colpisce un blocco di materiale, la sua energia si trasforma
producendo temperature dell'ordine di 10 milioni di milioni di gradi.
L'energia liberata nell'impatto d� origine a nuove particelle che si
presentano sempre in coppia: con ugual massa, ma carica diversa. In
pratica una delle due pu� essere considerata l'anti-particella
dell'altra. La peculiarit� � che si possono produrre solo coppie fatte
da una particella e dalla sua immagine speculare. Nessuno ha mai
osservato la produzione di sole particelle o sole antiparticelle.
Grazie ai primi ciclotroni i fisici sono in grado di produrre
artificialmente quei positroni che Anderson aveva semplicemente
osservato nella camera a nebbia.

E' lo stesso Lawrence che, nel 1954 costruisce il Betravone, un
acceleratore di particelle in grado di far scontrare tra loro due
protoni a un'energia considerata ottimale per la produzione di
antiprotoni. Nel frattempo un'�quipe di fisici diretti da Emilio Segre
costruisce uno strumento capace di rilevare la presenza di anti-
protoni. Nell'ottobre del 1955 la stampa internazionale annuncia che �
stata scoperta una nuova particella, di fatto un protone negativo.

L'anti-protone e l'anti-elettrone sono ora nelle mani dei fisici. Se si
riuscisse a farli interagire (come fanno elettroni e protoni in
natura), si avrebbe l'anti-atomo ovvero la prima forma di anti-materia
profetizzata da Dirac. Ma per questo bisogner� aspettare ancora molti
anni.
Il primo anti-atomo verr� prodotto nel 1995 da una �quipe di fisici
tedeschi e italiani in forze al CERN di Ginevra. Il risultato viene
ottenuto grazie a una macchina speciale detta LEAR (Low Energy
Antiproton Ring).

Appena cominciata la grande avventura degli acceleratore di particelle,
i fisici si rendono conto che quando un fascio di particelle colpisce
un bersaglio fermo, una gran parte dell'energia si spreca nel
contraccolpo del bersaglio e ne resta solo una piccola parte per lo
studio delle particelle e delle loro interazioni. Se invece si
scontrano frontalmente due fasci di particelle non ci dovrebbe essere
spreco di energia, rendendola cos� completamente disponibile per gli
esperimenti.
Gli studiosi del CERN si concentrano sulla collisione di fasci di
protoni che si realizza per la prima volta nel 1971. Nel frattempo
vengono creati nuovi rilevatori di anti-particelle ben pi� sofisticati
della camera a bolle utilizza da Anderson nel suo ciclotrone.

Ma la svolta definitiva avviene negli anni '80. Grazie a una nuova
tecnica detta di cooling, si aprono due nuove strade alla ricerca nel
campo degli acceleratore di particelle. Da una parte i fisici
continueranno a usare le anti-particelle come uno strumento di
ulteriore indagine sui costituenti fondamentali della materia, andando
nella direzione delle alte energie; dall'altra le anti-particelle
diventano il principale oggetto di studio, vengono decelerate a bassa
energia e isolate per esplorare le propriet� dell'anti-materia. E' in
quest'ottica che viene costruito il LEAR, un enorme deceleratore di
particelle grazie al quale � stato possibile forzare un anti-elettrone
(o positrone) a orbitare intorno a un anti-protone (esattamente come un
elettrone orbita intorno a un protone nell'atomo di idrogeno) formando
i primi atomi (nove) di anti-idrogeno.

Alcune questioni aperte
Una volta ottenuti questi atomi, la speranza � quella di dare risposte
alle tantissime domande aperte sulla costituzione dell'anti-materia e
sulla sua origine. La prima domanda che sorge spontanea �: che
relazione c'� fra atomi e anti-atomi? C'� completa simmetria? Pi� in
generale, come si comporta il nucleo di un atomo se viene invertita la
sua configurazione spaziale, se viene invertita la direzione del tempo
o se la sua parte di materia viene trasformata in anti-materia?

La teoria quantistica dei campi implica, a livello teorico, una
fondamentale simmetria, nel sistema della particelle elementari, fra
particelle e anti-particelle. Per ogni particella esiste una
corrispondente anti-particella, che si comporta come l'immagine
speculare della prima e si muove a ritroso nello spazio e nel tempo.
L'anti-particella dell'anti-particella � la particella stessa. Se due
particelle sono una l'anti-particella dell'altra, hanno cariche
elettriche opposte (ossia cariche di uguale grandezza ma con segno
opposto) e identica massa. Perci� dovrebbero essere soggetti alla
gravit� nella stessa identica maniera. Alcune particelle elettricamente
neutre, come il fotone, sono le antiparticelle di se stesse.

Una domanda inquietante sorge spontanea: come si fa a determinare se si
sta vivendo in un Universo di materia o di anti-materia? Dai tempi dei
tempi la materia � sempre stata definita come "qualcosa che occupa
spazio e ha massa", ma lo stesso si pu� dire dell'anti-materia. Dunque
una nuova definizione di materia si rende necessaria, una definizione
basata su aspetti che, diversamente da quelli di spazio e massa,
sfuggono alla nostra percezione sensibile.

E' paradossale pensare che proprio la materia, considerato uno fra i
concetti pi� tangibili della nostra conoscenza, richieda ora un
apparato teorico cos� astratto per essere definita. E ancora, qual �
l'origine dell'anti-materia? C'� presenza di anti-materia
nell'Universo, o almeno in quello a noi conosciuto? Quello che si sa a
tutt'oggi � che non ce ne sia praticamente traccia: alla fine degli
anni '50 era stato calcolato che la quantit� di anti-materia presente
nella nostra galassia ammontava a meno di un centinaio di milionesimo
dell'intera galassia.

E in ogni caso se ci fossero masse di anti-materia nell'Universo, a una
certa distanza non rivelerebbero la loro presenza. Il loro effetto
gravitazionale e la luce che produrrebbero sarebbero identici a quelli
dalla materia corrente. Inoltre, se si incontrassero con questa
materia, si dovrebbero percepire chiaramente le reazioni di
annichilazione.

Eppure quello che sembra certo da un punto di vista teorico � che,
circa 15 miliardi di anni fa, un'immensa esplosione detta Big Bang cre�
contemporaneamente materia e anti-materia. In quale proporzione? Alcune
teorie sostengono che si costitu� molta pi� materia che anti-materia.
In questo caso il presente Universo sarebbe il risultato delle
particelle di materia in esubero scampate dall'effetto di
annichilazione. Ma questo contraddirebbe l'ipotesi che materia e
antimateria sono equivalenti in tutti gli aspetti eccetto la loro
opposizione elettromagnetica. Se si fa salva questa ipotesi, una
qualsiasi forza che avesse generato una certa quantit� di materia
avrebbe dovuto generare una altrettanta quantit� di anti-materia.
Questa � la seconda teoria corrente che per� non � in grado di spiegare
la sparizione dell'antimateria nel nostro Universo visibile. Pertanto,
simmetria fra anti-materia e materia, presenza di anti-materia
nell'Universo e origini dello stesso sono strettamente connessi.

Perch� produrre anti-idrogeno � cos� importante?
In questo quadro intricato di domande aperte, i fisici hanno sempre
pensato che l'atomo di anti-idrogeno potesse giocare un ruolo
fondamentale e potesse avere, nello studio dell'anti-materia, la stessa
importanza che l'atomo di idrogeno aveva avuto per pi� di un secolo
nello studio della materia. Tre quarti dell'Universo � fatto di
idrogeno e molto di quello che si conosce del cosmo � stato scoperto
studiando l'idrogeno in laboratorio.

L'anti-idrogeno � il pi� facile (anche se non il solo) anti-atomo che
si � in grado di creare, ed � l'atomo di anti-materia costitutivamente
pi� semplice (� composto da un antiprotone e un solo anti-elettrone) e
quindi � il pi� facile da trattare da un punto di vista teorico.
Testarne il comportamento potrebbe aiutare a chiarire, tra le altre
cose, se c'� davvero totale simmetria tra materia e antimateria. Per
esempio, gli atomi di anti-idrogeno sono il solo strumento a
disposizione che permetta test di precisione sulle interazioni delle
anti-particelle tra loro. C'� simmetria anche in questo?

Come si � gi� sottolineato in precedenza, chiarire l'esistenza o meno
di questa simmetria permetterebbe forse di capire qualcosa di pi� sulla
presenza di anti-materia nell'Universo e di conseguenza qualcosa di pi�
sull'origine.
Per ora si suppone che tutte le forze interagenti tra materia e
materia, materia e anti-materia, anti-materia e anti-materia siano
della stessa forma. Secondo questa teoria le interazioni tra anti-
elettrone e anti-protone negli atomi di anti-idrogeno dovrebbero essere
perci� indistinguibili rispetto alle stesse interazioni fra elettrone e
protone negli atomi di idrogeno.

Una volta ottenuti atomi di anti-idrogeno, tale interazione pu� essere
sondata usando una luce laser ad altissima risoluzione.
Inoltre, essendo l'anti-idrogeno un sistema neutro, ci permette di
testare l'influenza della forza di gravit� sull'anti-materia. In teoria
ci si aspetta che la forza di gravit� sia la stessa che agisce sulla
materia. Se cos� non fosse, se l'anti-materia non fosse soggetta alla
legge di gravit� o se vi fosse soggetta con un accelerazione
leggermente inferiore, i laser dovrebbero essere in grado di rilevarlo.

Un'altra questione riguarda lo spettro dell'anti-idrogeno. Nel 1913
Niels Bohr propose il suo famoso modello per spiegare lo spettro
discreto della luce emessa dagli atomi. L'effetto che voleva spiegare
era che la luce visibile emessa da atomi di gas idrogeno eccitato (per
esempio riscaldato) era formata da un numero discreto di linee. Questa
serie di righe era nota come la "serie di Balmer" in onore del suo
scopritore. Le lunghezze d'onda emesse erano 434 nm, 486 nm e 656 nm.

La spiegazione proposta da Bohr era che gli elettroni (di cui l'atomo
era costituito secondo l'esperienza di Thomson), sospettati di essere
distribuiti intorno all'atomo come una nube (secondo il modello di
Rutheford) erano in grado di avere solo certi determinati e distinti
valori di energia. In poche parole l'energia degli elettroni �
quantizzata. Si scopr� allora che ogni linea nello spettro di Balmer
corrisponde a uno specifico cambio di energia dell'elettrone dell'atomo
di idrogeno. Ottenere la spettroscopia dell'anti-idrogeno (intendendo
con spettroscopia ogni genere di misurazione di energia) permetterebbe
non solo di paragonarla a quella dell'idrogeno ma anche forse di capire
qualcosa di pi� sulla composizione dell'anti-universo, qualora esso
esista da qualche parte.

Un vantaggio dell'anti-idrogeno � che i suoi stati potenziali eccitati
durano a lungo e quindi hanno un'energia ben definita (come insegna il
famoso principio di indeterminazione di Heisenberg, secondo cui
l'energia di qualcosa che vive a lungo � ben definita).
Tutto questo � molto affascinante, ma per poterlo portare a termine,
occorre -sembra l'uovo di Colombo - dell'anti-materia a disposizione da
studiare. E questo ci riporta alla notizia di questi giorni.

Cosa c'� di nuovo nell'esperimento ATHENA
In realt� gli atomi di anti-idrogeno creati nel 1995 grazie al LEAR,
pur avendo dato prova dell'esistenza dell'anti-materia, non erano in
pratica utilizzabili per gli esperimenti. Poich� viaggiavano a velocit�
prossima a quella della luce, si annichilivano con gli atomi regolari e
quindi non potevano essere immagazzinati n� tantomeno studiati. Da qui
la necessit� di decelerare gli anti-protoni (prodotti ad altissima
energia) e di immagazzinarli in alcune gabbie costruite allo scopo.

Per la prima fase dell'operazione � risultato essenziale il potente
deceleratore di anti-protoni (AD) che il CERN aveva deciso di costruire
nel 1996 dopo aver chiuso formalmente il LEAR. Intorno al deceleratore
AD si erano concentrati in questi anni alcuni importanti progetti di
ricerca per i quali era essenziale la sua utilizzazione. Uno di questi,
il progetto ATRAP aveva raggiunto molte delle condizioni necessarie per
la conservazione degli atomi di anti-idrogeno, ma non era ancora in
grado di rilevarli direttamente. Il progetto ATHENA � riuscito a
raggiungere anche questo obbiettivo.

Come funziona il deceleratore AD? Per creare le anti-particelle occorre
energia. Questa energia si ottiene da protoni che sono stati
precedentemente accelerati in un sincrotrone. I protoni vengono
schiacciati contro un blocco di metallo fatto di rame o iridio in
quanto materiali facili da raffreddare. In realt� un pezzo di manzo
potrebbe servire allo stesso scopo, ma andrebbe arrosto troppo
velocemente. L'improvviso blocco di queste particelle libera un'enorme
quantit� di energia in uno spazio molto piccolo, provocando temperature
cos� elevate da far s� che particelle di materia e anti-materia si
creino spontaneamente. In una collisione si formano circa un milione di
coppie di protoni e anti-protoni.

Questi ultimi si comporterebbero spontaneamente come gruppi di
ragazzini indiavolati. Non hanno tutti la stessa energia, e
correrebbero in tutte le direzioni in modo casuale. Per mantenerli
entro una certa traiettoria e quindi farli girare all'interno di un
anello, vengono utlilizzati potenti magneti posizionati ad hoc. A ogni
giro, un forte campo elettrico decelera la loro corsa. Sfortunatamente
questo aumenta il disordine della loro traiettoria e se non si
correggesse attentamente tale disordine a ogni giro, si rischierebbe di
perderli tutti nelle collisioni con le pareti dell'anello. Infine,
quando la velocit� delle anti-particelle � diminuita del 10% rispetto
alla velocit� della luce, il gruppo degli anti-protoni � pronto per
essere espulso dall'anello.

Un ciclo di decelerazione dura circa un minuto. A questo punto gli anti-
protoni seguono un nuovo cammino che li porta nella zona di estrazione
dove possono essere utilizzati per diversi esperimenti.
Come abbiamo visto, il progetto ATHENA li ha utilizzati per produrre
atomi di anti-idrogeno. Come hanno fatto? Uno sciame di anti-protoni �
stato lanciato contro una nube di positroni mantenuti all'interno della
stessa gabbia cilindrica lunga 16 centimetri.

Gli atomi di anti-idrogeno denunciano la loro presenza quando si
lasciano trasportare fuori dalla regione della trappola e si
annichilano con gli atomi ordinari in una specie di doppio suicidio. Ed
� proprio quello chje � stato possibile osservare in questo
straordinario esperimento.

Il prossimo passo per il progetto ATHENA � quello di bersagliare con
una luce laser questo campione catturato e di determinare grazie allo
spettro riemesso se l'anti-idrogeno si comporta come l'idrogeno.

Silvia Annaratone
Received on Tue Oct 01 2002 - 12:45:25 CEST