Fascio di anti-idrogeno? FATTO!

Uno degli aspetti della fisica che suscita maggior interesse nei non addetti ai lavori e’ senza dubbio il concetto di antimateria. Molto probabilmente, il motivo di questo interesse e’ da ricercarsi nelle tante storie fantascientifiche che sono state ispirate dall’esistenza di un qualcosa molto simile alla materia, se non fosse per la carica delle particelle che la compongono, che era presente prima del Big Bang ma che ora sembra totalmente scomparsa. Inoltre, come tutti sanno, se materia e antimateria vengono messe vicine tra loro si ha il fenomeno dell’annichilazione, qualcosa di assolutamente esotico nella mente dei non addetti ai lavori e che ha offerto trame sensazionali per tanti film e serie TV.

Come detto tante volte, dobbiamo fare una distinzione precisa tra quelle che chiamiamo antiparticelle e quella che invece viene intesa come antimateria. Cosi’ come avviene per la materia ordinaria, composta di particelle che, in questo schema, possiamo pensare come elettroni, protoni e neutroni, l’antimateria e’ a sua volta composta da anti-particelle. Spesso si tende a confondere questi due concetti, facendo, come si suole dire, di tutta l’erba un fascio.

Produrre anti-particelle e’ semplice e siamo in grado di farlo gia’ da diversi anni. Per darvi un esempio, molti collisori utilizzati per la ricerca nella fisica delle alte energie fanno scontrare fasci di particelle con antiparticelle. In questo contesto, molto usati sono i positroni, cioe’ gli anti-elettroni, e gli anti-protoni.

Completamente diverso e’ invece il caso dell’antimateria.

Per formare anti-atomi e’ necessario assemblare insieme le anti-particelle per comporre qualcosa simile nella struttura alla materia, ma composto a partire da mattoncini di anti-particelle.

Di questi concetti abbiamo gia’ parlato in articoli precedenti che trovate a questi link:

– Troppa antimateria nello spazio

– Due parole sull’antimateria

– Antimateria sulla notra testa!

Come anticipato, prima del Big Bang, erano presenti in eguale quantita’ materia e anti-materia. Ad un certo punto pero’, l’anti-materia e’ scomparsa lasciando il posto solo alla materia che ha poi formato l’universo che vediamo oggi. Anche se questo meccanismo e’ in linea di principio ipotizzato dalla fisica, ci sono ancora punti da chiarire in quella che viene chiamata “asimmetria materia-antimateria”. Anche di questo abbiamo gia’ parlato in questi articoli:

– E parliamo di questo Big Bang

– Ancora sullo squilibrio tra materia e antimateria

Se, da un lato, produrre antiparticelle e’ semplice, metterle insieme per formare antiatomi non e’ assolutamente banale.

Nel 2011 al CERN di Ginevra era stato annunciato per la prima volta un risultato molto importante: atomi di anti-idrogeno erano stati formati e osservati per un tempo di circa 1000 secondi prima si scomparire. Questa osservazione aveva permesso di osservare alcune importanti proprieta’. Nel 2012, sempre al CERN, un altro esperimento era riuscito a misurare altre importanti proprieta’ di questi anti-atomi, facendo ben sperare per il futuro.

Ora, invece, sempre il CERN ha annunciato di essere riuscito per la prima volta a produrre addirittura un fascio di anti-idrogeni. L’annuncio ‘e stato dato sul sito del laboratorio svizzero:

– CERN, ASACUSA NEWS

e pubblicato sull’autorevole rivista Nature.

La scoperta e’ stata realizzata dalla collaborazione internazionale ASACUSA, di cui fanno parte anche alcuni ricercatori del nostro Istituto Nazionale di Fiscia Nucleare.

Cosa sarebbero questi anti-idrogeni?

Seguendo il ragionamento fatto, questi speciali atomi sono composti dagli analoghi di antimateria di protone e elettrone. Se l’idrogeno ha un nucleo composto da un protone con un elettrone che gira intorno, un anti-idrogeno e’ composto da un anti-protone, carico negativamente, e un positrone che gira intorno, carico positivamente. Come potete facilmente capire, in questo gioco di costruzione di atomi, siamo alla struttura piu’ semplice conosciuta ma, come vedremo tra poco, fondamentale per la comprensione dell’universo.

Come e’ stato fatto questo esperimento?

L’esperimento ASACUSA del CERN

Senza annoiarvi con tecnicismi, gli anti-idrogeni sono prodotti da un deceleratore di antiprotoni e poi allontanati dal punto di produzione ad una distanza sufficiente a non risentire dei campi magnetici. Questo accorgimento e’ fondamentale per stabilizzare gli anti-atomi che altrimenti si scomporrebbero scomparendo. Come vedete nella foto riportata, la camera da vuoto utilizzata e’ infatti un lungo tubo e gli anti-idrogeni sono stati osservati e immobilizzati ad una distanza di quasi 3 metri dal punto di produzione.

Perche’ e’ cosi’ importante l’anti-idrogeno?

La sua semplicita’ rispetto agli atomi piu’ pesanti, sia per materia che per anti-materia, ha fatto si che questi siano stati i primi atomi stabili creati nell’universo in espansione. Secondo la teoria, idrogeno e anti-idrogeno dovrebbero avere esattamente lo stesso spettro di emissione. Poter disporre in laboratorio di un fascio stabile di anti-atomi consentira’ di studiare a fondo le caratteristiche di questa struttura analizzando nei minimi dettagli ogni minima possibile discrepanza con l’idrogeno. Queste caratteristiche aiuterebbero notevolmente nella comprensione dell’asimmetria tra materia e anti-materia dando una notevola spinta in avanti nella comprensione della nascita del nostro universo e nella ricerca di ogni possibile accumulo di anti-materia.

Concludendo, questa importante notizia apre nuovi scenari nello studio della fisica di base, offrendo un’occasione fondamentale per comprende il nostro universo. Come spesso avviene, molti siti e giornali si sono lanciati in speculazioni parlando di pericoli o applicazioni fantascientifiche che lasciano un po’ il tempo che trovano. Sicuramente, il futuro in questa branca della ricerca ha ancora molto da offrire e non possiamo che essere entusiasti delle novita’ che ancora ci attendono.

 

”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

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Ancora sullo squilibrio tra materia e antimateria

In diverse occasioni abbiamo parlato di antimateria, mostrando in particolare le proprieta’ di questa e cercando anche di rispondere ai tanti quesiti che spesso restano insoluti nei non addetti ai lavori:

– Troppa antimateria nello spazio

– Due parole sull’antimateria

– Antimateria sulla notra testa!

In particolare, il discorso principale sull’antimateria non risiede tanto nella sua produzione oggi, bensi’ sul perche’, durante le prime fasi del big bang, la materia sia riuscita a dominare formando l’universo che oggi vediamo. Di questi importanti concetti abbiamo parlato in questo post:

– E parliamo di questo Big Bang

Come visto, il modello teorico che spiega come la materia sia riuscita a dominare sulla controparte prevede tre condizioni, dette di Sakharov in onore del fisico russo che le ha formulate, di cui una riguarda quella che in fisica e’ nota come violazione di CP. Come visto nel post precedente, la violazione di questa proprieta’ delle particelle, indica chiaramente uno squilibrio tra materia e antimateria.

Decadimenti con violazione di CP sono stati osservati in alcune particelle, ma l’intensita’ di questa violazione e’ ancora non sufficiente a confermare quanto proposto da Sakharov.

Proprio pochi giorni fa, l’esperimento LhCB del Cern ha annunciato una nuova importante misura condotta studiando i decadimenti delle particelle Bs.

Cerchiamo di andare con ordine e di capire insieme di cosa si tratta.

Ovviamente, il CERN, cosi’ come LHC, sono divenuti famosi per la ricerca del bosone di Higgs, di cui abbiamo parlato in questo post:

– Bosone di Higgs … ma cosa sarebbe?

La collaborazione LhCB nella caverna dove e’ montato l’esperimento

Oltre ad Atlas e CMS, che sono gli esperimenti che partecipano direttamente alla ricerca del famoso bosone, esistono anche altri 2 rivelatori installati su LHC, chiamati LhCB e Alice. Avendo a disposizione un acceleratore di prim’ordine, e’ ovviamente possibile pensare misure molto importanti di fisica, aprendo gli scenari a scoperte molto importanti nella ricerca di base.

Questa volta, parliamo dunque di LhCB. Si tratta di un esperimento interamente dedicato allo studio dei mesoni “B”, cioe’ composti che includono un quark “bottom”. I mesoni “B” sono estremamente instabili e decadono in brevissimo tempo in altre particelle. Nonostante questo, si pensa che queste particelle fossero molto presenti nel neonato universo e abbiano avuto un ruolo molto importante proprio nella formazione di quello che oggi vediamo. Per alcuni mesoni B, e’ stata gia’ osservata la violazione di CP, di cui parlavamo prima, ma nonostante questo, vista la diretta relazione tra i B ed il Big Bang, uno studio attento e preciso, come solo LHC puo’ permettere, e’ molto importante per capire meglio queste dinamiche.

Detto questo, proprio negli ultimi giorni, LhCB ha annunciato di aver ottenuto importanti risultati nello studio dei decadimenti del Bs, cioe’ di mesoni B contenenti anche quark strange. Studiando un campione di circa 1000 eventi, i fisici di LhCB hanno evidenziato come in quasi 700 casi, i mesoni anti-Bs, cioe’ le antiparticelle, scomparivano decadendo in qualcos’altro. Al contrario, solo in  meno di 400 casi, la stessa cosa avveniva per i Bs, cioe’ le particelle ordinarie.

Cosa significa questo?

Molto semplicemente, e’ stata evidenziata una nuova asimmetria nell’universo. Come potete capire dai numeri riportati, le antiparticelle tendono a decadere, dunque a scomparire, con una probabilita’ maggiore rispetto a quella delle particelle. Detto in altri termini, la natura tende, in questo caso, a far dominare la materia rispetto all’antimateria.

Come detto, questo e’ esattamente quanto accaduto nei primi istanti dell’universo, quando l’equilibrio tra materia e antimateria e’ venuto meno, facendo scomparire quest’ultima e creando il nostro universo di sola materia.

Purtroppo, anche in questo caso, l’intensita’ della violazione osservata, non e’ ancora sufficiente a spiegare i forti meccanismi avvenuti nel baby universo. Molto probabilmente, per spiegare questo sara’ necessario parlare di nuova fisica, cioe’ di particelle e proprieta’ non predette dal modello standard. Sicuramente, la misura fatta da LhCB apre nuovi scenari e ancora molto ci si aspetta da questo esperimento, soprattutto in relazione alle ottime performance che LHC sta regalando ai quattro esperimenti installati.

Concludendo, la misura annunciata da LhCB in questi giorni, ed in via di pubblicazione, evidenzia una nuova asimmetria nella natura, o meglio un nuovo squilibrio tra materia e antimateria. Uno studio attento di queste proprieta’ e’ di fondamentale importanza per capire meglio come si e’ formato il nostro universo. Sicuramente, LHC ci regalera’ ancora tantissime nuove scoperte che, come evidenziato da questo articolo, non devono essere pensate limitate solo al bosone di Higgs.

 

”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

E parliamo di questo Big Bang

Dal momento che, in questo post:

– Il primo vagito dell’universo

e in molti altri ancora, abbiamo parlato di nascita ed evoluzione del nostro universo, credo sia giunto il momento di dedicare un articolo apposito su questi concetti. Premetto, che cerchero’ di matenere un profilo piu’ semplice e divulgativo possibile, anche se ci stiamo addentrando in teorie, e spesso anche supposizioni, fisiche non del tutto banali. In questo senso, cerchero’ il piu’ possibile di utilizzare esempi anche volutamente forzati proprio per rendere il tutto maggiormente accessibile a tutti.

Partiamo dalle basi. Allo stato attuale della nostra conoscenza, la teoria maggiormente accettata all’orgine dell’universo e’ quella per cui il tutto si sarebbe formato da un’esplosione iniziale chiamata appunto Big Bang. Come visto nell’articolo precedentemente riportato, non dobbiamo immaginare questo evento come un classico boato, da cui tutti si sarebbe formato, bensi’ come un processo di espansione, anche non costante e molto veloce in alcuni istanti, ma che dura tutt’ora.

Perche’ e’ avvenuto il Big Bang?

Immaginiamo di fissare una scala temporale all’istante iniziale, cioe’ nel momento stesso in cui e’ iniziato il Big Bang. Per dirlo con parole semplici, immaginate di avere un cronometro e di farlo partire nel mometo in cui inizia questa espansione. Secondo la teoria, prima che iniziasse il big bang, materia e antimateria convivevano insieme in una singolarita’, cioe’ costituivano un volume, al limite occupante un punto, estremamemente denso e a temperatura elevatissima. Nella concezione fisica, in questa fase non esistevano le particelle, il tempo e le forze.

Poi cosa e’ successo?

Quando il sistema e’ divenuto instabile, dopo un tempo pari a 10^(-43) secondi, e’ avvenuta quella che si chiama la prima transizione di fase. Cosa significa? Le particelle si sono formate da questo plasma iniziale e ognuna di loro aveva un’energia molto elevata detta “energia di Planck”. In questa fase, detta di Grande Unificazione, tutte le forze, compresa quella gravitazionale, erano unificate, cioe’ si manifestavano come un’unica interazione.

Bene, fermiamoci un attimo e cerchiamo di capire meglio. Al punto in cui siamo arrivati, il big bang e’ gia iniziato. Le particelle cosi’ come le forze, anche se ancora unificate, si sono formate. Riprendiamo dall’inizio. Al tempo iniziale, cioe’ prima che iniziasse l’espansione, materia e antimateria convivano insieme. Dopo un tempo brevissimo, quando si formano le particelle, dopo 10^(-43) secondi, ci sono ancora materia e antimateria, appena 10^(-6) secondi dopo l’inizio, rimane solo materia.

Dove e’ finita l’antimateria?

Per chi lo avesse perso, abbiamo parlato in dettaglio di antimateria in questo post:

– Due parole sull’antimateria

Il nostro attuale universo e’ formato solo da materia. L’antimateria e’ scomparsa. Perche’? Affiche’ questo sia possibile, e dunque sia iniziato il big bang, la fisica ci dice che devono essere state verificate le 3 condizioni di Sakharov. Senza entrare troppo nel dettaglio, in questa ipotesi, ci deve essere stata un’asimmetria tra materia e antimateria, che ha portato allo squilibrio che vediamo oggi. In particolare, in questo contesto si parla appunto di violazione di CP, cioe’ proprio di squilibrio della simmetria materia-antimateria nell’universo.

E’ possibile che siano rimaste delle sacche di antimateria da qualche parte oppure che l’universo sia formato da due distinte zone, una di materia ed una di antimateria?

La risposta e’ no. Capiamo il perche’. Quando entrano in contatto, materia e antimateria si annichilano, cioe’ ineragiscono distruggendosi a vicenda, e producendo radiazione gamma, cioe’, in linea di principio forzando l’esempio, luce. Se esistessero zone ben delimitate di materia e antimateria, nel punto di separazione tra di esse, si avrebbe annichilazione con la conseguente produzione di raggi gamma. Di questa radiazione non vi e’ nessuna evidenza ne’ dagli osservatori a Terra, ne’ dai satelliti, ne’ tantomeno dalle missioni esplorative che abbiamo mandato nello spazio.

Le condizioni di Sakharov offrono dunque un modello teorico in grado di spiegare perche’ potrebbe essere avvenuto questo squilibrio e quindi sia iniziato il big bang. Dico “potrebbe” perche’ al momento non tutte le condizioni sono state verificate e grande aiuto in questo senso dovrebbe venire dallo studio della fisica delle particelle agli acceleratori. Aprendo una piccola parentesi, quando in un acceleratore facciamo scontrare due fasci, questi interagiscono tra loro ad altissima energia. Man mano che aumentiamo l’energia, utilizzando sistemi sempre piu’ potenti, e’ come se andassimo indietro nel tempo tendendo verso il big bang. Ovviamente le energie oggi disponibili sono ancora molto lontane da quella iniziale, ma questo genere di studi ci consentono di comprendere molte cose importanti sul mondo delle particelle elementari.

Dunque, ricapitolando, abbiamo un sistema iniziale materia-antimateria, intervengono le condizioni di Sakharov e il sistema inizia ad espandersi facendo scomparire l’antimateria. Inizialmente le forze erano tutte unificate e le particelle si scontravano tra loro ad altissima energia.

Dopo, cosa e’ successo?

Man mano che il tempo scorreva, si passo’ attraverso varie fasi, ognuna caratterizzata da una rottura di simmetria di qualche tipo. In tal senso, le forza si divisero tra loro, lasciando quelle che oggi indichiamo come forze fondamentali: forte, debole, elettromagnetica e gravitazionale. In particolare, quest’ultima fu la prima a separarsi non appena la temperatura inizio’ a scendere e le onde gravitazionali poterono propagarsi liberamente.

Qualche minuto dopo l’istante iniziale, le particelle, cioe’ protoni e neutroni, poterono iniziare a combianrsi formando nuclei di Deuterio ed Elio. Questa importante fase viene chiamata “nucleosintesi”.

La temperatura dell’universo era pero’ ancora troppo elevata. Per osservare la formazione dei primi atomi, si dovette aspettare ancora circa 379000 anni, quando materia e radiazione finalmente si separarono e quest’ultima pote’ viaggiare libera nel cosmo. Di questo preciso istante, abbiamo anche parlato in questo post:

– Universo: foto da piccolo

in cui, come visto, si ebbe la formazione della radiazione di fondo che oggi, alla temperatura attuale, e’ di 2.7K con uno spettro nelle microonde.

Dopo questa fase, gli addensamenti di materia cominciarono ad attrarsi gravitazionalmente, formando poi le galassie, le stelle, i pianeti, ecc, cioe’ , quello che vediamo oggi osservando l’universo.

Ma esistono delle prove di tutto questo? E se in realta’ il big bang non fosse mai avvenuto?

Come visto in altri post, ma anche come comprensibile da quanto detto, proprio la radiazione di fondo costituisce una prova del big bang. Detto in altri termini, la CMB non sarebbe altro che un’eco di quanto avvenuto, cioe’ un reperto fossile dell’esplosione iniziale.

Inoltre, la velocita’ di espansione delle Galassie, misurata per la prima volta da Hubble, costituisce un’altra prova a sostegno di questa teoria.

Partendo da quest’ultimo concetto, una domanda lecita che chiunque potrebbe farsi e’: “dove e’ avvenuto il Big Bang?”

Modello dell’espansione dal Big Bang

In tal senso, se inizialmente si aveva un punto da cui poi tutto si e’ espanso, immaginando un rewind dovremmo essere in grado di identificare il punto iniziale del big bang. In realta’, non e’ cosi’. I fisici sono soliti dire che il Big Bang e’ avvenuto ovunque o anche che ogni punto dell’universo e’ un centro di espansione.

Che significa?

L’espansione dello spazio tempo avviene in piu’ di tre dimesioni, per cui non e’ facile immaginare a mente cosa sia avvenuto. Per capire questo concetto, immaginate l’universo come un palloncino inizialmente sgonfio. Ora, prendendo un pennarello, fate dei puntini sulla superificie. Se le pareti del palloncino sono l’universo che si espande, mentre gonfiate il palloncino, ciascun punto, tra quelli che avete disegnato, vedra’ gli altri allontarsi da lui. In questo contesto, ciascun punto e’ centro dell’espansione, cioe’ ogni punto vede gli altri punti allontarsi da lui in tutte le direzioni. L’animazione riportata potra’ aiutarvi a capire meglio questo discorso. Fissando un punto, tutti gli altri si allontanano da questo, indipendentemente da quello che scegliete come vostro centro. Dunque, se osservate l’universo dalla Terra, vedrete tutti gli altri corpi allontarsi da noi, come se la Terra fosse il centro dell’espansione.

Concludendo, esistono diverse prove sperimentali a sostegno del Big Bang, cioe’ di questa esplosione iniziale da cui, partendo da uno stato di equilibrio materia-antimateria, tutto si e’ formato passando attraverso diverse rotture di simmetrie. Ad oggi, o forse mai, nessuno potra’ spiegare perche’ questa materia e antimateria erano li o cosa c’era prima di questo equilibrio. Se volete, ognuno, con il suo pensiero e la sua convinzione, puo’ dare la sua spiegazione. I processi di evoluzione dal tempo zero, sono ipotizzati, ma ancora molto lavoro resta da fare per verificare queste teorie e capire a fondo perche’, come e con che intensita’ sino avvenuti determinati meccanismi. Insomma, di lavoro da fare ce n’e’ ancora molto.

 

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