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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Troppa antimateria nello spazio

Uno dei misteri che da sempre affascina i non addetti ai lavori e che spinge avanti la ricerca scientifica di base e’ la comprensione del nostro universo. In particolare, come sapete, ad oggi sappiamo veramente molto poco su cosa costituisce il nostro universo. Cosa significa questo? Dalle misure affettuate, solo una piccola frazione, intorno al 5%, e’ composta da materia barionica, cioe’ di quella stessa materia che compone il nostro corpo e tutti gli oggetti che ci circondano. La restante frazione e’ composta da quelli che spesso sentiamo chiamare contributi oscuri, materia oscura ed energia oscura. Mentre sulla materia oscura ci sono delle ipotesi, anche se ancora da verificare, sull’energia oscura, responsanbile dell’espansione dell’universo, sappiamo ancora molto poco.

Detto questo, la comprensione di questi contributi e’ una sfida tutt’ora aperta ed estremamente interessante per la ricerca scientifica.

Di questi argomenti, abbiamo parlato in dettaglio in questo post:

– La materia oscura

Perche’ torno nuovamente su questo argomento? Solo un paio di giorni fa, e’ stata fatta una conferenza al CERN di Ginevra nella quale sono stati presentati i dati preliminari dell’esperimento AMS-02. I dati di questo rivelatore, realizzato con un’ampia collaborazione italiana, sono veramente eccezionali e potrebbero dare una spinta in avanti molto importante nella comprensione della materia oscura.

Andiamo con ordine.

Cosa sarebbe AMS-02?

AMS installato sulla Stazione Spaziale

AMS sta per Alpha Magnetic Spectrometer, ed e’ un rivelatore installato sulla Stazione Spaziale Internazionale. Compito di AMS-02 e’ quello di rivelare con estrema precisione le particelle dei raggi cosmici per cercare di distinguere prima di tutto la natura delle particelle ma anche per mettere in relazione queste ultime con la materia ordinaria, la materia oscura, la materia strana, ecc.

In particolare, lo spettrometro di AMS e’ estremamente preciso nel distinguere particelle di materia da quelle di antimateria e soprattutto elettroni da positroni, cioe’ elettroni dalle rispettive antiparticelle.

Vi ricordo che di modello standard, di antimateria e di materia strana abbiamo parlato in dettaglio in questi post:

– Piccolo approfondimento sulla materia strana

– Due parole sull’antimateria

– Antimateria sulla notra testa!

– Bosone di Higgs … ma che sarebbe?

Bene, fin qui tutto chiaro. Ora, cosa hanno di particolarmente speciale i dati di AMS-02?

Numero di positroni misurato da AMS verso energia

Utilizzando i dati raccolti nei primi 18 mesi di vita, si e’ evidenziato un eccesso di positroni ad alta energia. Detto in parole semplici, dai modelli per la materia ordinaria, il numero di queste particelle dovrebbe diminuire all’aumentare della loro energia. Al contrario, come vedete nel grafico riportato, dai dati di AMS-02 il numero di positroni aumenta ad alta energia fino a raggiungere una livello costante.

Cosa significa questo? Perche’ e’  cosi’ importante?

Come detto, dai modelli della fisica ci si aspettarebbe che il numero di positroni diminuisse, invece si trova un aumento all’aumentare dell’energia. Poiche’ i modelli ordinari sono corretti, significa che ci deve essere qualche ulteriore sorgente di positroni che ne aumenta il numero rivelato da AMS-02.

Quali potrebbero essere queste sorgenti non considerate?

La prima ipotesi e’ che ci sia una qualche pulsar relativamente in prossimita’. Questi corpi possono emettere antiparticelle “sballando” di fatto il conteggio del rivelatore. Questa ipotesi sembrerebbe pero’ non veritiera dal momento che l’aumento di positroni e’ stato rivelato in qualsiasi direzione. Cerchiamo di capire meglio. Se ci fosse una pulsar che produce positroni, allora dovremmo avere delle direzioni spaziali in cui si vede l’aumento (quando puntiamo il rivelatore in direzione della pulsar) ed altre in cui invece, seguendo i modelli tradizionali, il numero diminuisce all’aumentare dell’energia. Come detto, l’aumento del numero di positroni si osserva in tutte le direzioni dello spazio.

Quale potrebbe essere allora la spiegazione?

Come potete immaginare, una delle ipotesi piu’ gettonate e’ quella della materia oscura. Come anticipato, esistono diverse ipotesi circa la natua di questa materia. Tra queste, alcune teorie vorrebbero la materia oscura come composta da particelle debolmente interagenti tra loro e con la materia ordinaria ma dotate di una massa. In questo scenario, particelle di materia oscura potrebbero interagire tra loro producendo nello scontro materia ordinaria, anche sotto forma di antimateria, dunque di positroni.

In questo scenario, i positroni in eccesso rivelati da AMS-02 sarebbero proprio prodotti dell’annichilazione, per dirlo in termini fisici, di materia oscura. Capite dunque che questi dati e la loro comprensione potrebbero farci comprendere maggiormente la vera natura della materia oscura e fissare i paletti su un ulteriore 20% della materia che costituisce il nostro universo.

Dal momento che la materia oscura permea tutto l’universo, questa ipotesi sarebbe anche compatibile con l’aumento dei positroni in tutte le direzioni.

Ora, come anticipato, siamo di fronte ai dati dei primi 18 mesi di missione. Ovviamente, sara’ necessario acquisire ancora molti altri dati per disporre di un campione maggiore e fare tutte le analisi necessarie per meglio comprendere questa evidenza. In particolare, i precisi rivelatori di AMS-02 consentiranno di identificare o meno una sorgente localizzata per i positroni in eccesso, confermando o escludendo la presenza di pulsar a discapito dell’ipotesi materia oscura.

Per completezza, spendiamo ancora qualche parola su questo tipo di ricerca e sull’importanza di questi risultati.

Come detto in precedenza, per poter confermare le ipotesi fatte, sara’ necessario prendere ancora molti dati. Ad oggi, AMS-02 potra’ raccogliere dati ancora per almeno 10 anni. Come anticipato, questo strumento e’ installato sulla Stazione Spaziale Internazionale. Questa scelta, piuttosto che quella di metterlo in orbita su un satellite dedicato, nasce proprio dall’idea di raccogliere dati per lungo tempo. La potenza richiesta per far funzionare AMS-02 consentirebbe un funzionamento di soli 3 anni su un satellite, mentre sulla ISS il periodo di raccolta dati puo’ arrivare anche a 10-15 anni.

AMS-02 e’ stato lanciato nel 2010 sullo Shuttle dopo diversi anni di conferme e ripensamenti, principalmente dovuti agli alti costi del progetto e alla politica degli Stati Uniti per le missioni spaziali.

Perche’ si chiama AMS-02? Il 02 indica semplicemente che prima c’e’ stato un AMS-01. In questo caso, si e’ trattato di una versione semplificata del rivelatore che ha volato nello spazio a bordo dello shuttle Discovery. Questo breve viaggio ha consentito prima di tutto di capire la funzionalita’ del rivelatore nello spazio e di dare poi la conferma definitiva, almeno dal punto di vista scientifico, alla missione.

Confronto tra AMS e missioni precedenti

Il risultato mostrato da AMS-02 in realta’ conferma quello ottenuto anche da altre due importanti missioni nello spazio, PAMELA e FERMI. Anche in questi casi venne rivelato un eccesso di positroni nei raggi cosmici ma la minore precisione degli strumenti non consenti’ di affermare con sicurezza l’aumento a discapito di fluttuazioni statistiche dei dati. Nel grafico a lato, vedete il confronto tra i dati di AMS e quelli degli esperimento precedenti. Come vedete, le bande di errore, cioe’ l’incertezza sui punti misurati, e’ molto maggiore negli esperimenti precedenti. Detto in termini semplici, AMS-02 e’ in grado di affermare con sicurezza che c’e’ un eccesso di positroni, mentre negli altri casi l’effetto poteva essere dovuto ad incertezze sperimentali.

Concludendo, i risultati di AMS-02 sono davvero eccezionali e mostrano, con estrema precisione, un aumento di positroni ad alta energia rispetto ai modelli teorici attesi. Alla luce di quanto detto, questo eccesso potrebbe essere dovuto all’annichilazione di particelle di materia oscura nel nostro universo. Questi risultati potebbero dunque portare un balzo in avanti nella comprensione del nostro universo e sulla sua composizione. Non resta che attendere nuovi dati e vedere quali conferme e novita’ potra’ mostrare questo potente rivelatore costruito con ampio contributo italiano.

 

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Antimateria sulla nostra testa!

Proprio oggi, su diversi siti catastrofisti e pseudoscientifici, e’ apparsa la notizia che il telescopio della NASA Fermi avrebbe individuato la produzione di antimateria durante i temporali. Stando a quanto si legge in rete, durante un temporale, i forti campi elettrici che si possono creare, sono in grado di trasformare l’aria in un plasma e produrre, grazie alle alte energie in gioco, antimateria sotto forma di positroni.

Ovviamente, non mancano ipotesi catastrofiste che richiamano la pericolosita’ dell’antimateria, oltre a puntare il dito contro questa sorgente posta solo a pochi kilometri dalle nostre teste. Su alcuni siti si ipotizza anche che potrebbe trattarsi di una modifica indotta del clima attraverso l’antimateria prodotta in questo modo. Se ci pensate, il collegamento e’ sempre il solito, l’uomo modifica il clima creando tempeste di fortissima intensita’, e mediante queste tempesta innesca la produzione dell’antimateria in atmosfera che sicuramente qualche effetto potrebbe darlo anche a noi che siamo subito sotto.

Inutile dirvi che in tutto questo discorso, che ripeto potete trovare su molti siti, si fa una gran confusione su argomenti scientifici ben noti e gia’ oggetto di studi da diversi anni.

Cerchiamo di capire meglio.

Prima di tutto, mi dispiace deludere tutti i fan di “Angeli e Demoni”, ma in questo fenomeno non viene prodotta antimateria, nel senso di antiatomi, ma solo antiparticelle, ed in particolare positroni, cioe’ anti-elettroni. Molto spesso, nell’immaginario colletivo, colpa anche dei tanti film fantascientifici, l’antimateria e’ vista come un qualcosa di molto pericoloso e che potrebbe addirittura essere usata per far scomparire la Terra. Di questi concetti abbiamo gia’ parlato in questi post:

– Piccolo approfondimento sulla materia strana

– Lotteria profetica 2012

– Due parole sull’antimateria

Come sappiamo, le antiparticelle vengono prodotte tutti i giorni nei nostri laboratori di fisica delle alte energie. Molti degli acceleratori presenti nel mondo lavorano facendo scontrare fasci di particelle con fasci di antiparticelle. Se prima non eravate a conoscenza di questa produzione artificiale, non penso che ora possiate credere che produrre antiparticelle possa distruggere la Terra.

Premesso questo, torniamo alla scoperta fatta dal telescopio Fermi e cerchiamo di capire di cosa si tratta.

Durante un temporale, i forti campi elettrici che si generano possono accelerare gli elettroni presenti nell’atmosfera portandoli a velocita’ prossima a quella della luce. Durante il loro percorso, gli elettroni possono interagire con gli atomi dell’aria e perdere una parte della loro energia emettendo un fotone. Fin qui e’ semplice, la causa di tutto e’ l’elettrone che viene accelerato dal campo elettrico ed emette fotoni. Bene, questi fotoni, interagendo anche loro con i nuclei presenti in atmosfera, possono scomparire producendo una coppia elettrone-antielettrone. Questi effetti sono del tutto noti in fisica e non rappresentano assolutamente una novita’.

Rivediamo tutto il processo, elettrone dell’atmosfera, accelerato dal campo elettrico dovuto al temporale, produce un fotone. Il fotone decade formando una coppia elettrone-antielettrone. Su internet trovate una confusione enorme su questi processi in cascata. Spesso si confondono le particelle o i meccanismi descritti tirando fuori ipotesi completamente impossibili dal punto di vista fisico.

Dunque, abbiamo una coppia elettrone-antielettrone, quindi particelle e antiparticelle. Quello che e’ successo in Fermi, e da cui siamo partiti con la notizia iniziale, e’ che il telescopio ha osservato questi antielettroni, anche detti positroni, prodotti attraverso il meccanismo descritto. Per essere precisi, Fermi ha osservato l’annichilamento dei positroni nel telescopio.

Questo processo e’ ben descritto in questa rappresentazione che altro non e’ che una simulazione condotta proprio dalla NASA per comprendere il fenomeno alla base:

Produzione di un TGF. Fonte: NASA

Ora, quello che in realta’ molti “dimenticano” di dire e’ che questo fenomeno non e’ stato osservato oggi da Fermi con grande stupore degli scienziati, ma e’ un processo che si conosceva e che anche questo telescopio aveva osservato a partire dal 2011.

Cerchiamo di capire meglio.

Questo genere di produzione di antielettroni avviene normalmente nello spazio in prossimita’ di buchi neri o di fenomeni di altissima energia cosmica. Nel 1994, qualche anno fa dunque, questo processo venne osservato per la prima volta nell’atmosfera terrestre, ad un’altezza tra 20 e 50Km, dalla NASA utilizzando il telescopio Compton. Il processo in atmosfera viene anche detto “Terrestrial Gamma Ray Flash”, TGF o TGRF.

Compton osservo ben 78 eventi di produzione di TGF nella nostra atmosfera durante tempeste tropicali.

Fermi ha gia’ osservato diversi TGF ed in piu’ ha scoperto che questi fenomeni possono avvenire anche a quote fino a 10Km. Dal momento che queste altezze comprendono i voli di linea, gia’ dal 2010 e’ stato formato un gruppo di ricerca congiunto tra INAF, ASI e ENAC, l’ente per la sicurezza in volo, per determinare gli eventuali rischi, sempre che sussistano, per i passeggeri dei voli di linea. Al momento, non e’ emersa nessuna pericolosita’ dei TGF.

Prima di chiudere, spendiamo due parole sul protagonista di questa notizia, cioe’ il telescopio Fermi.

Il telescopio e’ stato lanciato l’11 giugno 2008 e chiamato inizialmente GLAST, Telescopio Spaziale a Grande Area per Raggi gamma, e successivamente, il 26 Agosto 2008, ribattezzato Fermi Gamma Ray Space Telescope, in onore del nostro Enrico Fermi.

Raffigurazione del telescopio Fermi-GLAST in orbita

Questo telescopio ha la particolarita’ di essere dedicato all’osservazione dei raggi gamma, cioe’ ai fotoni di alta energia. L’osservazione di queste particelle e’ molto importante per l’identificazione di sorgenti gamma nella nostra galassia e fuori di questa, per lo studio dei cosiddetti Nuclei Galattici Attivi, per l’individuazione di Pulsar e resti di Supernove e per lo studio dei Gamma Ray burst, cioe’ l’emissione di raggi gamma da sorgenti energetiche, come descritto in precedenza.

Inoltre, lo studio dei fotoni nello spazio, puo’ aiutare nell’identificazione della materia oscura e per cercare di capire la natura di questa importante componente del nostro universo. Anche di materia oscura abbiamo parlato nei post riportati in precedenza dal momento che molto spesso anche questa viene chiamata in causa con assurdita’ scientifiche.

L’oosservazione dei TGF in Fermi e’ avvenuta proprio mentre il telescopio era interno a studiare l’universo lontano. I raggi gamma emessi da questo meccanismo raggiungono comunque i sensibili strumenti di Fermi che dunque e’ in grado di rivelarli con estrema precisione.

Concludendo, non c’e’ assolutamente nulla di allarmante nella scoperta della produzione di antiparticelle nell’atmosfera. Come visto, si tratta di un meccanismo ben compreso e che era gia’ conosciuto nella fisica. Per essere precisi, Fermi non ha assolutamente scoperto in questi giorni il fenomeno dei TGF, ma la loro prima osservazione risale al 1994 grazie al telescopio Compton. Fermi ha il pregio di poter studiare questi eventi con una risoluzione ed una precisione mai raggiunta prima ed inoltre, grazie proprio ai suoi strumenti, e’ stato possibile individuare questi fenomeni in strati piu’ bassi della nostra atmosfera, dove non si pensava potessero avvenire.

Anche in questo caso, l’informazione sulla rete presenta molti tratti catastrofisti del tutto ingiustificati, oltre ovviamente ad una sana componente di imprecisioni scientifiche a cui ormai dovremmo essere abituati.

 

 

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