Materia e antimateria

Materia e antimateria

Liceo scientifico statale

Francesco D’Assisi Esami di stato anno scolastico 2006-07

Approfondimento di fisica

Claudia Tambasco classe 5B

Presentazione del lavoro

Era un sabato pomeriggio di dicembre e, come al solito, ero arrivata in anticipo all’appuntamento. Annoiata dall’interminabile attesa, decisi così di andare in una libreria. Fu così che mi ritrovai in mano un libro intitolato: “Passaggi curvi: le dimensioni nascoste dell’universo”. Incuriosita, decisi dunque di acquistarlo e iniziai a leggerlo di ritorno a casa sulla metro. Ne fui subito affascinata. Non credevo che la fisica potesse interessarmi tanto!

Leggendo le pagine di quel libro si aprì per me un mondo nuovo, fatto di leggi spesso complicate e difficili da comprendere, ma che riescono a spiegare il funzionamento della materia che ci circonda e dell’universo, lo stesso che ci affascina durante le notti stellate e che ci fa sentire piccoli dinnanzi ad un’immensità che pone interrogativi forse più grandi di noi stessi.

Le nostre conoscenze si sono evolute con il tempo ma ancora non sono sufficienti per spiegare ogni fenomeno, e forse non lo saranno mai, ma compito del genio umano è appunto cercare soluzioni ai limiti della sua conoscenza e accettare le sfide che la scienza stessa gli propone.

Per questi motivi ho deciso di realizzare il seguente approfondimento, che ha accresciuto le mie conoscenze.

Materia

Adroni e bosoni e leptoni fermioni

La teoria quantistica dei campi

I diagrammi di Feynman

I bosoni di gauge virtuale

Le interazioni nucleari

L’interazione forte e il mesone

La forza nucleare debole

Decadimento beta e il neutrino

I quark e i gluoni

I bosoni vettori

La cromodinamica quantistica

L’interazione gravitazionale e il gravitone

L’antimateria

Cos’è l’antimateria

Paul Dirac

L’annichilamento

Materia e antimateria agli albori dell’universo

Accenni sulla teoria del Big-Bang

Il fondo di radiazione cosmica

La scomparsa dell’antimateria

La violazione di simmetria

La simmetria CP

Materia e antimateria

Tutta la materia che ci circonda è formata da atomi: sistemi composti da particelle di carica negativa, gli elettroni, orbitanti attorno ad un nucleo centrale di carica elettrica positiva. La domanda che si sono posti i fisici moderni è se la composizione della materia è stata sempre così. Questo quesito è all’origine di uno dei problemi più affascinanti della fisica moderna. Le leggi matematiche con cui i fisici descrivono la struttura dell’atomo prevedono che, oltre alla materia ordinaria, esista anche un’altra forma di materia: la cosiddetta antimateria.

Uno sguardo nella materia

I fisici hanno spesso rivolto la loro attenzione alla ricerca dei costituenti fondamentali della materia e delle leggi universali che ne regolano le interazioni. Il concetto fondamentale che riguarda la struttura ultima del mondo che ci circonda è quello della

Particella elementare

cioè una particella non composta da altre, ossia non ulteriormente suddivisibile in sottoparticelle.

Diamo uno sguardo prima sulla loro suddivisione.

Adroni e leptoni

Una prima classificazione delle particelle elementari le suddivide in LEPTONI (particelle più leggere), MESONI (aventi massa intermedia) e BARIONI (le più pesanti). I barioni e i mesoni sono denominati adroni (dal greco hadròs: forte) che interagiscono con la forza forte ma anche attraverso forze deboli ed elettromagnetiche. Al contrario i leptoni interagiscono tramite forza debole e, se sono carichi, tramite forza elettromagnetica ma non risentono delle interazioni forti.

I leptoni sono considerate particelle elementari mentre gli adroni non sono particelle elementari, in tale famiglia le particelle più note sono il protone e il neutrone.

Leptoni più pesanti, i mu e i tau, si trasformano velocemente (tramite interazione debole) in leptoni più leggeri. I fisici hanno osservato molti di questi decadimenti e hanno scoperto che le regole secondo le quali queste particelle decadono possono essere spiegate se dividiamo i leptoni in tre famiglie o generazioni: l’elettrone e il suo neutrino, il muone e il suo neutrino, il tauone e il suo neutrino. Nel processo di trasformazione di un leptone il numero dei membri di ogni famiglia prima e dopo la trasformazione deve restare costante.

Lo spin di una particella: bosoni e fermioni

Ad ogni spira è associato un proprio momento magnetico orbitale e la somma vettoriale dei momenti magnetici orbitali delle spire elementari definisce il momento magnetico totale dell’atomo.

Tuttavia il momento magnetico atomico non è dovuto solamente alla rotazione degli elettroni intorno al nucleo ma anche dai momenti magnetici propri delle particelle che lo costituiscono; infatti ciascuna particella è dotata di momento magnetico legato al concetto di

Spin intrinseco

Se una particella ha spin intrinseco essa interagisce come se stesse ruotando su se stessa anche se non corrisponde a nessun movimento reale nello spazio. In conclusione quindi il momento magnetico totale dell’atomo è dovuto alla somma di tutti i contributi orbitali e degli spin delle particelle che lo compongono.

Tutte le particelle con spin semintero si raggruppano in FERMIONI e fanno parte di questa categoria gli elettroni per esempio. I fermioni hanno come proprietà fondamentale quella di rispettare il principio di esclusione di Pauli:

due fermioni identici, non possono occupare simultaneamente lo stesso stato quantico.

Quindi due fermioni dello stesso tipo non possono trovarsi sullo stesso orbitale. Per questo motivo la materia pur scontrandosi non può svanire alla vista!

I BOSONI si comportano in modo opposto ai fermioni. Hanno spin intero e non rispettano il principio di Pauli. Quindi il fatto che i bosoni possano avere la stessa posizione allo stesso tempo rende possibile collineare un raggio di luce. La luce è composta da fotoni bosonici e ciò rende possibile proiettare due fasci di luce nello stesso luogo: il laser si basa proprio su questa proprietà. Anche i superconduttori e i superfluidi sono fatti di bosoni.

La teoria quantistica dei campi

La teoria quantistica dei campi, lo strumento con il quale studiamo le particelle, si basa su oggetti eterni e onnipresenti che possono creare e distruggere particelle: sono i CAMPI della teoria quantistica dei campi secondo la quale le particelle possono essere prodotte o distrutte in qualsiasi momento e che queste potrebbero essere concepite come eccitazione del campo quantistico. Il vuoto corrispondente a uno stato di cose senza particelle conterrebbe solo campi costanti.

Gli stati in cui sono presenti particelle, quindi, contengono campi con rigonfiamenti e ondulazioni corrispondenti alle particelle.

Le interazioni tra particelle sono locali cioè vi possono partecipare solo le particelle che si trovano nello stesso luogo. Per esempio le interazioni elettromagnetiche che si verificano tra particelle cariche distanti, richiedono la mediazione di una particella il

Quanto mediatore

, in questo caso del fotone, considerato nell’attuale interpretazione quantistica come la particella di campo dell’interazione elettromagnetica. Le due cariche sembrano influenzarsi l’un l’altra in maniera istantanea ma è un’illusione che ha origine dal fatto che il fotone si muove con velocità della luce. Importante è ribadire che l’interazione può avvenire solo attraverso processi locali: il fotone va a cadere dapprima su una delle particelle cariche, poi sull’altra. Di conseguenza il campo deve creare e distruggere il fotone nel punto preciso in cui si trovano le particelle cariche. Il fotone è il primo esempio di

Bosone di gauge

I bosoni deboli e i gluoni sono altri esempi di bosoni di gauge che comunicano le interazioni deboli e forti rispettivamente.

La teoria che descrive correttamente i fenomeni elettromagnetici anche al livello quantistico e relativistico è denominata ELETTRODINAMICA QUANTISTICA (QED Quantum ElectroDynamics). I diagrammi di Feynman, che prendono il nome dallo scienziato e premio Nobel Richard Feynman, rappresentano il concetto di quanto mediatore:

I punti importanti di un diagramma di Feynman sono i vertici, nel caso analizzato in figura si può immaginare che uno dei due elettroni crei un fotone virtuale in corrispondenza del punto A e che l’altro elettrone lo assorba nel punto B. Per lo scambio del fotone e della conseguente interazione di cui il fotone è mediatore.