Opposti

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

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

energia;

2) 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. Si è così

potuto 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.

Una questione ancora aperta

L’ipotesi di Sakharov

Sakharov ha osservato che se le leggi fisiche violassero la

simmetria materia-antimateria (così come in realtà avviene),

se il rapporto tra la quantità di materia e di antimateria non

si conservasse e se l’Universo avesse attraversato delle fasi

di non equilibrio, allora l’asimmetria che osserviamo oggi

potrebbe essere il risultato di un effetto dinamico. In altri

termini, l’Universo potrebbe essere partito da una

condizione perfettamente simmetrica tra materia e

antimateria, per poi evolvere verso lo stato attuale. Sarebbe

una spiegazione molto soddisfacente, che però richiede

l’esistenza di interazioni che non conservano il rapporto tra

la quantità di protoni e di antiprotoni. La conseguenza più

diretta di tali interazioni sarebbe l’instabilità del protone, di

cui però non esiste, almeno per il momento, alcuna

indicazione sperimentale. Inizio

L’inversione del campo

magnetico terrestre

Il Nord è veramente a Nord? Il Sud sarà sempre al Sud? Non necessariamente.

Secondo alcuni scienziati il Nord potrebbe essere a Sud tra qualche tempo.

Potremmo essere colpiti da un caos magnetico che ci sottoporrebbe ad

un’incredibile tempesta magnetica provocata da un’inversione dei poli.

Ogni 11 anni (l’ultima è del marzo 2001) si verifica un’inversione del campo

magnetico del Sole, che porta all’emissione di gas incandescenti ad

altissima velocità; questi possono raggiungere la Terra e far scatenare forti

tempeste magnetiche come quella che avvenne in Canada nel 1989. E se

fosse la Terra ad invertire i poli?

Il campo magnetico terrestre

Il nostro pianeta, come fosse un’enorme calamita, è sorgente di un campo

magnetico. Attualmente l’asse del campo magnetico terrestre è inclinato di

11°30’ rispetto all’asse di rotazione che unisce i poli geografici. Le linee del

campo magnetico possono essere tracciate registrando tre caratteristiche

per ogni punto della regione del campo, rilevabili con una bussola ed un

magnetometro. Esse sono: la declinazione magnetica, cioè l’angolo con il

quale la direzione del Nord geografico differisce da quella del Nord

magnetico, l’inclinazione magnetica, ossia l’angolo che l’ago magnetico

della bussola forma con il piano orizzontale, e l’intensità HT del campo, che

varia da punto a punto della Terra e nel tempo.

L’origine del campo magnetico

Sull’origine del campo si possono avanzare soltanto delle ipotesi. Si crede che

abbia origine nel nucleo esterno, che è formato da ferro allo stato liquido

mantenuto in movimento da correnti termiche e dalla rotazione terrestre.

Essendo un buon conduttore di elettricità, infatti, è rimescolato da continui

moti convettivi prodotti dal calore liberato dai processi di decadimento

radioattivo che avvengono nel nucleo. Come la dinamo di un generatore

elettrico il ferro in movimento crea correnti elettriche di immensa potenza e

un enorme campo di forza magnetica.

L’inversione di polarità

Le inversioni nel passato

Risalendo indietro nel tempo per intervalli dell’ordine di 10 anni , si sono

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scoperti fenomeni non ancora del tutto chiariti: l’inversione dei poli, più volte

ripetuta nel passato geologico. I periodi più lunghi di polarità costante

(normale o inversa) sono le epoche magnetiche di Gilbert, Gauss,

Matuyama e Brunhes e si estendono in media per 1 milione di anni, mentre

sono state registrate anche inversioni più brevi all’interno della stessa epoca

magnetica, cioè gli eventi magnetici (di durata variabile tra i 50.000 e i

200.000 anni. Esistono numerose teorie discordanti a riguardo

dell’inversione dei poli, poiché non si sa con certezza la causa per cui

avvengono, se si ripetono ad intervalli regolari, se il campo diminuisce

gradualmente o si inverte in tempi brevi. Non essendo note queste

caratteristiche è difficile fare delle previsioni su quelle che, quasi

sicuramente, accadranno in futuro. Infatti quello che è certo è che sono

accadute in passato (disponiamo di informazioni, sia pur discontinue, sui

cambiamenti di polarità degli ultimi 80 milioni di anni e che si estendono, sia

pur con minore dettaglio, fino ad arrivare ai 170 milioni di anni fa), quindi

secondo il mondo scientifico, per analogia, si ripresenteranno sulla Terra,

ma ancora vi sono molti contrasti tra gli esperti su quando succederà.

Scala cronologica delle

inversioni geomagnetiche

basate sulle anomalie

magnetiche delle colate laviche.

L’età, in milioni di anni, è

ricavata da datazioni delle rocce

col metodo radiometrico che

permette di determinare l’età di

una roccia tramite il suo

contenuto in certi isotopi

radioattivi. I periodi di campo

normale sono quelli che

mostrano la stessa polarità del

campo attuale (bande nere).

Situazione attuale del campo magnetico

 Alcuni scienziati ritengono, sulla base dei dati in possesso, che sia possibile

affermare che i poli magnetici della Terra si siano invertiti oltre una decina di

volte negli ultimi 30 milioni di anni. L’ultima inversione si sarebbe verificata

circa 780 mila anni fa, così secondo lo schema degli eventi susseguitisi

negli ultimi 30 milioni di anni, la prossima inversione sarebbe in ritardo di

530.000 anni.

 Il campo magnetico terrestre si è indebolito del 10% negli ultimi 160 anni.

 Dopo 400 anni di relativa stabilità, da 150 anni a questa parte, il polo Sud si

è allontanato dall’America del Nord verso la Siberia di circa 1100 Km.

 Il nucleo interno della Terra sta ruotando in modo leggermente più veloce

rispetto alla superficie della Terra (tra 2 e 3 gradi di longitudine all’anno più

velocemente della superficie).

 La risonanza della cavità di Schumann sta cambiando, dagli anni ‘80 ad

oggi siamo passati da 7,5 Hertz a circa 11 Hertz.

Le simulazioni di Glatzmaier e Roberts…

Gli scienziati Glatzmaier e Roberts hanno confutato l’ipotesi di una possibile

imminente inversione dei poli. Essi affermano che l’indebolimento del

campo magnetico terrestre non comporta la sua prossima inversione, anche

perché questo sarebbe quasi il doppio rispetto alla media dell’ultimo milione

di anni. Inoltre, studiando i modelli matematici della struttura interna della

Terra e usando opportune equazioni magnetoidrodinamiche, i due scienziati

hanno predisposto dei programmi di simulazione della struttura interna della

Terra e delle interazioni tra i fluidi conduttivi e il campo magnetico. In tal

modo hanno simulato una variazione nei movimenti interni dello strato di

metallo liquido e del nucleo interno per verificare quali conseguenze

potrebbero esservi nel campo magnetico terrestre. Con migliaia di prove

sono giunti alla conclusione che le turbolenze interne dello strato generante

il campo magnetico provocano dei cambiamenti che possono essere ritenuti

"normali". Si è potuto verificare che l’agitazione dello strato di metallo liquido

che avvolge il nucleo terrestre comporta una serie di modifiche al campo

magnetico terrestre; questo aumenta o diminuisce a seconda dei casi, i poli

magnetici si spostano e in alcuni casi si invertono.

… e la loro previsione

Secondo i due scienziati americani queste inversioni richiedono alcune