Opposti

Ego es

Gli opposti

Contrasto eterno, motore del mondo.

Materie e argomenti trattati

• Fisica – Materia ed antimateria
• Scienze – L’inversione del campo magnetico terrestre
• Inglese – “A Song of Opposites” by John Keats
• Italiano – Il “Dualismo” di Arrigo Boito

Materia e antimateria

La classificazione delle particelle (materia ordinaria).

Particelle subatomiche

Fermioni

Bosoni (spin intero)

(spin semidispari)

Barioni

Bosoni

Mesoni Leptoni

(sono adroni)

intermedi

(sono adroni) (formati da 3 quark o più)

(formati da 2 quark) (hanno spin = 1) (particelle-materia)

• Eta
• Elettroni
• Nucleoni
• Gluoni
• Kaone
• Muoni
• Iperoni
• Fotoni
• Pione
• Tauoni
• Barioni esotici
• Rho
• Neutrini
• Bosoni W e Z
• Pentaquark

B

- Quark

- (Gravitone)

0

particella simbolo antiparticella simbolo

elettrone positone

quark antiquark

neutrino muonico antineutrino muonico

neutrino elettronico antineutrino elettronico

neutrino tauonico antineutrino tauonico

tauone antitauone

muone antimuone

protone antiprotone

+ -

p p antiadroni

neutrone n antineutrone n

- (nucleoni e

B-zero B anti-B-zero mesoni). In

-

B

0 0 verde le

kaone antikaone

+ -

K K particelle

lambda Λ antilambda -

Λ fondamentali.

pione-più pione-meno

+ -

π π

Rho-più Rho-meno

+ -

ρ ρ

Nella tabella sono rappresentati i simboli e i nomi delle particelle e rispettive antiparticelle di leptoni e principali antiadroni (nucleoni e mesoni).

L’evoluzione storica delle antiparticelle

1928 – L’ipotesi di Dirac

Paul-Adrien-Maurice Dirac ricercò una legge che conciliasse i principi della meccanica quantistica con quelli della relatività ristretta e questa ricerca lo portò alla formulazione della meccanica quantistica relativistica, teoria che attualmente descrive con successo il comportamento di tutte le particelle note.

La sua teoria portò ad una sorprendente previsione: l’elettrone doveva avere un’antiparticella con stessa massa ma carica elettrica opposta. Nel 1928 egli arrivò a scrivere l'equazione

-

μ

(iγ Δμ m)φ=0

che gli permise di prevedere l'esistenza dell’antielettrone; infatti dall’equazione, che descrive il comportamento delle particelle alle alte velocità, ne scaturiscono due soluzioni associate a due stati di energia di uguale intensità ma uno positivo e l'altro negativo per la medesima particella.

1932 – La verifica sperimentale di Anderson

La conferma sperimentale dell'esistenza di tale particella avvenne nel 1932 ad opera di Carl David Anderson. La scoperta avvenne nel corso di un esperimento volto a studiare la natura dei raggi cosmici, il flusso di particelle provenienti dal Sole che ad ogni istante colpisce il nostro pianeta.

In particolare, l'esperimento analizzava le tracce lasciate dalle particelle nell'attraversamento di una camera a nebbia. La camera a nebbia è un apparato riconducibile ad un solenoide con all’interno un gas.

Con il passaggio di un raggio cosmico e quindi di energia il gas liquefa lasciando così sottoforma di goccioline la traccia delle particelle che lo hanno attraversato.

Fra tante tracce ordinarie Anderson ne identificò una che corrispondeva al passaggio di una particella uguale all’elettrone ma di carica opposta. Era il primo segno tangibile dell'esistenza dell'antielettrone.

Anni ‘50 – Segrè scopre l’antiprotone

Per scoprire l'antiprotone, l'antiparticella del protone, fu necessario attendere l'avvento di potenti acceleratori di particelle che accelerano protoni o elettroni fino a raggiungere energie elevate.

Negli anni '50 un acceleratore a Berkeley, in California, raggiunse energie sufficienti per produrre antiprotoni e antineutroni, che vennero osservati tramite sofisticati apparati.

La scoperta dell’antiprotone e la conseguente elaborazione della teoria sull’antimateria è da attribuirsi al fisico italiano Emilio Segrè. Per questi studi di fondamentale importanza, nel 1959 ricevette il premio Nobel con il collega Chamberlain.

1997 – Al CERN si crea l’anti-idrogeno

Negli anni seguenti gli acceleratori di Brookhaven negli USA e del CERN di Ginevra permisero di produrre ed osservare l'antideuterio, poi acceleratori ancora più potenti permisero di produrre ed osservare, a Serpukhov, in Russia, e al CERN, gli antinuclei antielio-tre e antitrizio.

Nel 1997 antiatomi di idrogeno (anti-H = p + e ) sono stati prodotti dal CERN, decelerando

- +

antiprotoni e antielettroni tenendoli "imbottigliati" nel vuoto tramite campi magnetici.

L'anti-idrogeno è più difficile da "imbottigliare" perché elettricamente neutro; la maggior parte degli antiidrogeni raggiunge una parete dove annichila con un atomo del mezzo.

Ad oggi si è riusciti a dimostrare l’esistenza di tutte le particelle previste dalla teoria di Dirac.

Progetti per il futuro

• PAMELA: opererà sul satellite russo Artica e ricercherà antinuclei di media energia;
• AMS (Alpha Magnetic Spectrometer): verrà installato sulla stazione spaziale internazionale (ISS) ad un’altezza di 350 Km dalla Terra.

L’annichilamento

L’asimmetria tra materia e antimateria

La teoria CP di Sakharov

Molti fisici delle particelle pensano che l'asimmetria fra materia e antimateria derivi da diversità nelle proprietà fisiche. Il fisico russo Andrei Sakharov postulò nel 1967 le condizioni per cui ciò potesse avvenire.

La sua simmetria CP vale per le leggi della fisica del mondo macroscopico poiché se si considera un fenomeno possibile e poi si cambia il segno di tutte le cariche presenti (simmetria di coniugazione di carica, o C) e si scambia la destra con la sinistra (simmetria di parità, o P), ciò che si ottiene è ancora un fenomeno possibile.

Se potessimo costruire in un specchio in grado di invertire la carica, oltre alle coordinate spaziali, avremmo costruito un vero e proprio specchio materia-antimateria.

La violazione di simmetria CP

Anche a livello subatomico, fenomeni mediati dalla forza forte o da quella elettromagnetica, che si ottengono l’uno dall’altro mediante una trasformazione CP, hanno la stessa probabilità di avvenire.

Questo cessa di valere con le interazioni deboli, che non sono simmetriche sotto la trasformazione CP.

Per esempio i bosoni K0, i kaoni neutri, che sono dei mesoni, dopo aver vissuto qualche centesimo di microsecondo, decadono attraverso la forza debole in uno stato dispari per CP ma anche in uno stato pari per CP:

- + + - -

K0 → π + e + ve oppure K0 → π + e + ve

Per passare da uno dei decadimenti all’altro si devono invertire le cariche (operazione C) e trasformare in (operazione P).

Se la simmetria fosse valida, le probabilità dei due decadimenti dovrebbero essere uguali; invece il primo ha una probabilità di avvenire dello 0,3% maggiore del secondo.

A livello sperimentale si è infatti visto che esiste una piccola differenza nella velocità di decadimento dei kaoni neutri e delle rispettive antiparticelle.

Questo è il motivo per cui materia e antimateria non si sono annichilite in un grande fuoco d’artificio ma la prima ha prevalso.