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Fascio di anti-idrogeno? FATTO!

22 Gen

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

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.

 

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I lanci spaziali del futuro

18 Mar

Tutti noi, almeno una volta, abbiamo visto in TV il lancio di un velivolo spaziale. Quell’enorme torre dove, ad esempio, veniva agganciato lo shuttle e, al termine del conto alla rovescia, i potenti razzi necessari per vincere la gravita’ terrestre producevano quelle enormi colonne di vapore. Come e’ facilmente comprensibile, questi lanci prevedono una pianificazione nei minimi dettagli e l’investimento di enormi risorse sia umane che economiche.

Dai primi lanci spaziali ad oggi, questa tecnica per inviare missioni nello spazio e’ rimasta piu’ o meno invariata, mentre la tecnologia delle missioni e’ via via cresciuta sia dal punto di vista tecnico che scientifico.

Velivolo S3 su Airbus A300

Velivolo S3 su Airbus A300

Possibile che non ci sia un altro modo per inviare satelliti nello spazio?

In realta’, proprio in questi ultimi anni, diverse societa’, anche private, stanno studiando metodi alternativi, piu’ economici e semplici, per inviare piccoli oggetti in orbita. Al giorno d’oggi, non parliamo piu’ soltanto di grandi missioni di esplorazione, ma anche molte compagnie private necessitano di questo genere di lanci. Pensate soltanto alle telecomunicazioni, campo da sempre ad appannaggio di compagnie private. Per garantire la trasmissione dei segnali, sempre piu’ spesso si ricorre a satelliti geostazionari che orbitano sulle nostre teste.

Una valida alternativa al classico lancio, e’ in corso di sperimentazione molto avanzata per opera della “Swiss Space System”, una societa’ svizzera che gode della sponsorizzazione di molte importanti agenzie come la NASA e l’ESA.

Il metodo pensato dalla Space System e’ molto semplice. Satelliti fino a 250 Kg potranno essere portati nella parte alta della nostra atmosfera utilizzando un comune Airbus A300, si, proprio l’aereo utilizzato dalle compagnie di tutto il mondo per il trasporto di passeggeri.

Il satellite viene agganciato all’aereo che lo porta fino a circa 10 Km di quota, a questo punto la navetta viene sganciata e sale, mediante motori, fino a circa 80 Km di altitudine. A questo punto viene aperto il portellone superiore e viene fatto uscire il satellite che dunque sale fino all’orbita prestabilita.

Come avviene tutto questo? La scelta dell’A300 non e’ casuale. Questo aereo e’ gia’ certificato per i cosiddetti voli a gravita’ zero. La navetta spaziale che sale fino a 80 Km utilizza combustibile aereonautico standard consentendo livelli di inquinamento paragonabili a quelli di un comune volo di linea. Inoltre, durante la fase di discesa, la navetta spaziale plana come un aliante non richiedendo l’utilizzo dei motori ed e’ subito pronta per un nuovo lancio. Tutta la procedura e’ riassunta in questo disegno:

Le diverse fasi della messa in orbita

Le diverse fasi della messa in orbita

Cosa sarebbe un volo a zero gravita’?

Con questo termine si intende un volo in grado di ottenere la condizione di assenza di peso anche in presenza di gravita’. Per ottenere questo risultato si sfrutta la caduta libera ottenuta mediante un volo su traiettoria parabolica. L’aereo in questione sale molto velocemente con un’angolazione di circa 45 gradi e con una forte accelerazione. Arrivato nel punto piu’ alto della parabola, il pilota stacca i motori lasciando praticamente l’aereo in caduta libera. In questa condizione, i passeggeri si trovano in completa assenza di peso. Questa fase, generalmente, dura un intervallo di circa 20-30 secondi. Al termine di questa fase, il pilota riprende il controllo riaccendendo i motori e pronto, dopo un certo tempo, a ripetere l’operazione.

I voli a gravita’ zero vengono utilizzati per diversi scopi. Prima di tutto possono essere una buona palestra per i futuri astronauti per permettergli di sperimentare l’assenza di peso. Inoltre, anche dal punto di vista commerciale, questo genere di voli vengono utilizzati da compagnie private per testare in questa particolare condizione strumenti e soluzioni innovative, magari da lanciare in orbita per gli scopi piu’ disparati.

Volo zero gravity dell'ESA

Volo zero gravity dell’ESA

La nostra agenzia spaziale europea dispone proprio di un A300 per questi scopi, mentre la NASA utilizza un C-9 in grado, in un volo di due ore, di descrivere circa 40 parabole e sperimentare l’assenza di peso per intervalli di 25 secondi. Solo per completezza, questo genere di velivoli vengono definiti in gergo tecnico “comete del vomito”. Visto come funzionano, non credo ci sia bisogno di spiegare l’origine del nome.

Tornando ai lanci spaziali, solo pochi giorni fa e’ stato fatto il primo volo di prova con la tecnica vista. I risultati sono stati molto promettenti al punto che la Space System ha promesso di iniziare i primi voli commerciali gia’ a partire dal 2017. Stando a quanto riportato sul sito della compagnia, il prezzo di questi lanci dovrebbe essere 4 volte inferiore a quelli tradizionali e la societa’ prevede di costruire il proprio spazioporto in Svezia anche se, per come viene pensato il lancio, il decollo puo’ essere fatto da un qualsiasi aeroporto.

Per chi fosse interessato, vi riporto direttamente il link della Space System in cui potete trovare tutte le informazioni sui voli insieme alal documentazione tecnica sul lancio:

S3 Home

A questo punto non rimane che aspettare. Finalmente e’ stata portata un po’ di innovazione non solo alle missioni spaziali, ma anche nei sistemi di lancio che per troppo tempo erano rimasti fermi.

 

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