Materia e antimateria

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. LA

MATERI

A

ADRONI E BOSONI E

LEPTONI FERMIONI

LA TEORIA

QUANTISTICA DEI

CAMPI

I diagrammi di I bosoni di Il fotone

Faynman gauge virtuale

LE INTERAZIONI

NUCLEARI

L’interazione La forza nucleare

forte e il mesone debole

Decadimento

I quark e i beta e il neutrino

gluoni I bosoni vettori

La intermedi

Cromodinamica

quantistica

L’interazione

gravitazionale e il

gravitone

L’ANTIMATE

RIA

Cos’è L’annichila

Paul

Dirac

l’antimateria mento

MATERIA E ANTIMATERIA AGLI

ALBORI DELL’UNIVERSO

Accenni sulla teoria Il fondo di

del Big-Bang 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 cioè una particella non composta da altre,ossia non

PARTICELLA ELEMENTARE

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 . Se una particella ha spin intrinseco essa

INTRINSECO SPIN

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 dglii 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

,in questo caso del fotone,considerato nell’attuale

QUANTO MEDIATORE

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

. I bosoni deboli e i gluoni sono altri esempi di bosoni di gauge

BOSONE 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

ciascuna delle due particelle subisce una variazione della propria energia e quantità d

moto.

Considerando una collisione frontale fra due elettroni, da un punto di vista

strettamente classico, i due elettroni si avvicinano fino a che la repulsione

coulumbiana non li arresta per riallontanarli. In questo caso la quantità di moto totale

del sistema è nulla. Ma ci troviamo di fronte a una contraddizione: il fotone,per la

conservazione della quantità di moto deve avere quest’ultima nulla ed energia pari

alla somma delle energie cinetiche iniziali degli elettroni incidenti. Tuttavia un fotone

reale deve soddisfare la relazione E=pc. Il fotone scambiato non può soddisfare tale

relazione:esso perciò è un .

FOTONE VIRTUALE

Questo esempio fornisce un’idea del concetto di .

PARTICELLA DI CAMPO VIRTUALE

In molti casi lo scambio di un quanto mediatore sembra violare i principi di

conservazione dell’energia o della quantità di moto. Nel mondo quantistico il

principio d indeterminazione di Heisenberg permette un grado di incertezza

nell’energia dato da ΔEΔt ≥h/2π. Ciò significa che se il fotone viene emesso e

assorbito in un tempo sufficientemente breve la conseguente ampia incertezza

sull’energia permette violazioni della conservazione dell’energia stessa. Quindi è

possibile violare il principio di conservazione dell’ energia di una quantità ΔE purchè

il processo avvenga in un tempo inferiore a (o dell’ordine) di h/(2πΔE). Il fotone

prodotto viene chiamato così virtuale in quanto esso non è mai rilevabile fisicamente.

LA FORZA NUCLEARE FORTE E I MESONI

Il quanto mediatore della forza forte ,cioè la forza interagente tra due nucleoni, fu

ipotizzato da Hideki Yukawa che lo denominò . Come il fotone trasportatore

MESONE

dell’interazione elettromagnetica anche il mesone è una particella virtuale,con una

data massa a riposo, ma quando è responsabile dello scambio virtuale della forza

forte non è più osservabile.

Come è possibile creare fotoni reali con l’annichilimento di un neutrone e di un

positrone analogamente se due nucleoni dotati di sufficiente energia vengono fatti

collidere, si generano dei mesoni reali. Nel 1947 furono scoperte nei raggi cosmici

due particelle di massa appropriata che interagivano con i nuclei tramite forza forte:

a tali particelle venne dato il nome mesoni π (mesoni primari) e oggi noti come

+ -

PIONI (π e π ).

IL DECADIMENTO BETA E IL NEUTRINO

Il decadimento beta consiste nel decadimento spontaneo di nuclei radioattivi che

emettono un elettrone o un positrone. Ecco due esempi:

C N



14 14 0-1

+ ℮

6 7

N C



13 13 0

+ ℮

7 6 +1

Nei decadimenti beta però sembra che alcuni principi fisici vengano violati, infatti

sorgono dei problemi quando si considerano le energie in gioco.Gli elettroni emessi

hanno energia cinetica minore di quella che ci si aspetterebbe, ciò appare come una

violazione del principio di conservazione di energia dato che non si riesce a dar conto

di tutta l’energia liberata dalla reazione. Inoltre a volte sembra si abbia una violazione

del principio di conservazione della quantità di moto in quanto si è osservato che non

sempre l’elettrone emesso e il nuovo nucleo si allontanano in versi opposti dal sito in

cui è avvenuta la disintegrazione

Ma non è finita qui,sembra che si abbia anche una violazione del principio del

momento angolare. 14

Infatti i nucleoni e gli elettroni hanno spin ½ . Nel caso di un nucleo come C con un

numero pari di nucleoni la somma degli spin di questi (che hanno momento angolare

intrinseco di ½) è un numero intero, ma allorchè nel processo di decadimento beta si

libera un elettrone, il numero di particelle con numero di spin ½ diventano dispari e

perciò la somma totale dei numeri quantici di spin diventa un multiplo dispari di 1/2 .