Antimateria:realtà o fantasia?

Indice:

Definizione 1

L’antimateria e la sua storia 1

L’antimateria oggi nell’universo 2

L’antimateria intorno a noi 4

L’antiprotone 5

L’antimateria come fonte di energia 6

Domande e risposte 7

Glossario 8

Sitografia e bibliografia 11

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Motivazione:

Ho deciso di scegliere come argomento della mia tesina di maturità l’antimateria perché lo trovo

molto interessante; è un argomento ancora poco conosciuto sia a livello personale che

scolastico ma è a tal punto innovatore e rivoluzionario che non può non colpire e suscitare

interesse. Quando sentiamo pronunciare il termine “antimateria” molto spesso o lo colleghiamo

a qualcosa di fantascientifico, come per esempio l’astronave di Star Trek, o non sappiamo

neanche di che cosa si stia parlando; siamo nella maggior parte dei casi inconsapevoli che

oramai l’antimateria è una realtà e che nell’arco di quasi un secolo è riuscita a imporsi

addirittura nella nostra realtà quotidiana; è diventata infatti indispensabile nell’ambito medico

e il suo studio a livello astrofisico è fondamentale per cercare finalmente di svelare i misteri che

avvolgono l’universo. Milioni di fisici e scienziati in tutto il mondo hanno investito e investono

tuttora le loro energie in essa perché credono nella sua portata rivoluzionaria e soprattutto che

essa possa davvero essere un nuovo punto di partenza e una soluzione ai tanti problemi che

affliggono l’uomo ,come per esempio quello energetico. Trattando di questo argomento, vorrei

riuscire a dimostrare come quello che noi crediamo tanto distante e futuristico in realtà sia così

vicino e importante. La scoperta delle antiparticelle e la loro relativa conferma sperimentale

avvenuta nell’arco di molti anni è stato uno dei passi più importanti compiuti dalla fisica

moderna e sebbene la strada sia ancora lunga in quanto purtroppo si riesce a produrre

antimateria ma non a conservarla, guardando indietro non si può che essere ottimisti. Quindi

alla domanda ” L’antimateria è realtà o fantasia?” penso si possa rispondere che è una grande

realtà. 3

L’antimateria

Definizione:

L’antimateria altro non è che materia costituita da antiparticelle, ossia da particelle elementari

che, per certi aspetti, possono essere considerate le immagini speculari delle particelle che

formano la materia ordinaria. Le antiparticelle sono in generale uguali alle corrispondenti

particelle in tutto, tranne che per determinate proprietà fisiche, che risultano opposte (la più

comune di queste è la carica elettrica). Ad esempio, la particella di antimateria corrispondente

all'elettrone è il positrone, che differisce dall'elettrone solo perché possiede carica elettrica

positiva. Viceversa l'antiparticella del neutrone (antineutrone), privo di carica, si distingue dalla

particella ordinaria per il segno del momento magnetico (una proprietà che determina il

comportamento elettromagnetico della particella). L’antiprotone è invece l’antiparticella del

protone. In generale, tutti i parametri che descrivono le proprietà dinamiche delle particelle

elementari, come la massa e il tempo di decadimento, sono identici per particella e

antiparticella.

L’antimateria e la sua storia: 4

L'esistenza delle antiparticelle fu ipotizzata per la prima volta dal fisico britannico Paul-Adrien-

Maurice Dirac, il quale formulò una teoria per il moto degli elettroni in campi elettrici e

magnetici. Nel 1928 egli arrivò a scrivere un'equazione fondamentale – divenuta poi famosa col

suo nome – che gli permise di prevedere l'esistenza di una particella identica all'elettrone, ma

dotata di carica positiva. La sua teoria infatti era in grado di descrivere le misure sperimentali in

modo eccezionalmente preciso ma portò ad una sorprendente previsione; ovvero che l’elettrone

per l’appunto dovesse avere un’antiparticella con stessa massa ma carica elettrica opposta . La

conferma sperimentale dell'esistenza di tale particella, chiamata positrone, avvenne nel 1932 ad

opera il quale osservò nei raggi cosmici una particella che si comportava

di Carl David Anderson

come un elettrone ma aveva carica positiva 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 riceverà con il collega Chamberlain il premio Nobel.

Negli anni seguenti gli acceleratori del CERN di Ginevra e di Brookhaven negli USA permisero di

produrre ed osservare l'antideutone, poi acceleratori ancora più potenti permisero di produrre

ed osservare, a Serpukhov in Russia e al CERN di Ginevra, gli antinuclei antielio 3 e antitrizio.

Recentemente antiatomi di anti-idrogeno (anti-H = anti-p + e ) sono stati prodotti al 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.

Caratteristica fondamentale dell’antimateria è il problema che essa non appena viene in

contatto con la materia di annichilisce producendo energia; ecco perché quindi è così arduo il

suo studio.

L’antimateria prima e oggi nell’universo:

Secondo la teoria del Big Bang l'Universo ha avuto origine circa 15 miliardi di anni fa da una

grande esplosione che produsse materia ed

antimateria in misura uguale. Ma dov'è ora la

controparte della materia che conosciamo?

Perché oggi l'antimateria è così rara? Scoprire

le radici di questa imperfezione cosmica è uno

dei compiti fondamentali della moderna

astrofisica, cosmologia ed anche della fisica

fondamentale. Sappiamo che per qualche

motivo la materia è arrivata a prevalere

sull’antimateria ma il preciso meccanismo che

ha portato a questo non è ancora

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completamente compreso. Molti fisici delle particelle pensano che l'asimmetria fra materia e

antimateria derivi da diversità nelle proprietà fisiche. Il fisico teorico russo Andrei Sakharov

postulò nel 1967 le condizioni per cui ciò potesse avvenire. Fra queste una richiedeva quella che

tecnicamente è chiamata violazione di CP. La conferma alla sua ipotesi finalmente è arrivata

grazie al lunghissimo lavoro dei fisici del Cern, che sono stati impegnati per ben 10 anni

nell’osservazione di una piccola particella subatomica, il kaone neutro. 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. Grazie a questo progetto di

ricerca internazionale, l ‘NA48, che ha coinvolto 16 laboratori europei tra cui 6 italiani si è stati

in grado di dare una risposta a uno degli interrogativi più importanti della fisica moderna;

ovvero perché il mondo che conosciamo è fatto di materia e non di antimateria. Ha inoltre

dimostrato che la violazione della simmetria CP è una realtà. Per molto tempo i fisici hanno

creduto che la simmetria CP fosse sempre rispettata ma in realtà così non era; infatti per poter

affermare che la simmetria è conservata occorre osservare un sistema fisico dopo avere

scambiato ogni particella del sistema con la sua antiparticella e verificare che nulla è cambiato.

La simmetria CP si consta di due operazioni rappresentate dalla due rispettive lettere; con C si

indica la coniugazione di carica e rappresenta l’operazione di scambio di una particella con la sua

antiparticella, mentre la lettera P è chiamata parità e indica l’operazione di riflessione delle

coordinate spaziali.

Dobbiamo comunque sottolineare che nonostante non si sia ancora rivelata la presenza di una

certa quantità di antimateria nell'universo, la possibilità che esista non può essere

completamente esclusa. Infatti noi non possiamo escludere a priori l’esistenza di antistelle o

antigalassie, già ipotizzate dallo stesso Dirac nel suo discorso per il premio Nobel, perché in

mancanza di dati sperimentali; noi sappiamo solo il perché la materia ha prevalso ma non se in

maniera definitiva. Negli ultimi 20 anni, usando strumenti sempre più sofisticati, sono stati

compiuti enormi sforzi nella ricerca in questa direzione. Poiché, quando l'antimateria viene a

contatto con la materia ordinaria si annichila producendo radiazione elettromagnetica, si è

pensato di rilevare la presenza di antimateria nell'Universo tramite la radiazione prodotta nelle

annichilazioni; tuttavia però questa strada si è rivelata inconcludente in quanto la luce

proveniente dall’universo non ci dà nessuna informazione utile per il semplice fatto che i fotoni

hanno la peculiarità di essere identici alle loro antiparcelle e quindi nulla ci dicono sulla natura

della materia di cui sono fatte la sorgenti da cui provengono.

Come linea di ricerca alternativa, si è quindi pensato di ricercare antinuclei nei raggi cosmici; per

evitare l'annichilazione degli antinuclei con i nuclei dell'atmosfera, gli strumenti devono essere

installati su satelliti. Due esperimenti si propongono di ricercare antimateria proveniente dallo

spazio esterno:

1)PAMELA: opererà sul satellite russo Artica e ricercherà antinuclei di media energia.

2) AMS (Alpha Magnetic Spectrometer): verrà installato sulla stazione spaziale internazionale.

L’esperimento, promosso dall’ASI, dal MIT, dal CERN di Ginevra e dal premio Nobel Samuel Ting,

si avvale di uno spettrometro di fabbricazione italiana, che verrà agganciato all’asse principale

della stazione e vi rimarrà per circa tre anni. Le aspettative sull’esperimento sono molte,

soprattutto in virtù dell’estrema sensibilità del rivelatore impiegato, circa 100.000 volte

maggiore di quelli precedentemente utilizzati nella ricerca dell’antimateria.

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L’antimateria intorno a noi:

oggi l’antimateria è usata ogni giorno in medicina per analizzare lo stato

del cervello, tramite la tecnica chiamata Positron Emission Tomography

(PET). La PET è un metodo di indagine che permette di misurare funzioni

metaboliche e reazioni biochimiche in vivo ed ha larga applicazione nelle

neuroscienze, in oncologia e in cardiologia. Essa utilizza positroni che si

annichilano scontrandosi con gli elettroni. I positroni sono emessi da una

sostanza radioattiva, un isotopo, combinato con una molecola

metabolica, per esempio il glucosio, iniettata nel sangue. I positroni

emessi dall’isotopo si annichilano quasi immediatamente incontrando gli

elettroni ed emettono due raggi γ in direzioni opposte. Questi raggi

provenienti dal corpo del paziente permettono ad un computer di costruire una mappa della

regione celebrale dalla quale provengono; la loro emissione è più intensa nella regione in cui è

alta la concentrazione di positroni ovvero dove vi è maggior quantità di sangue. Il computer

contraddistingue le diverse regioni con appostiti colori: rosso per le aree di attività più intensa,

arancione e giallo per quelle mediamente coinvolte e blu per quelle non interessate. L’immagine

permette quindi di controllare l’organo e di rilevare eventuali anomalie. È una tecnica invasiva

tuttavia non pericolosa in quanto la quantità di radiazioni assorbita dal paziente è minima. La

PET ha molte applicazioni ed è il test più sicuro per l’identificazione del morbo di Alzheimer nelle

fasi iniziali ed è l’unico strumento per fotografare il funzionamento di particolari aree del

cervello collegate alle emozioni. 7

Tomografia a emissione di positroni