L’antimateria cos’è ? E’ l’opposto della materia ordinaria che compone il 4% del nostro universo. La sua descrizione teorica apparse nel 1928 grazie allo scienziato inglese Dirac, ed ora vari esperimenti al CERN di Ginevra stanno cercando di capirne ulteriori dettagli.
IN BREVE
Come suggerisce la parola, per antimateria si intende l’antitesi della materia ordinaria presente nel nostro universo; nel 1928, Paul Dirac (famoso per la sua equazione) ha scoperto una equazione che combina la teoria quantistica e la relatività speciale per descrivere il comportamento di un elettrone che si muove a velocità relativistica. L’equazione – che permise a Dirac di vincere il premio Nobel nel 1933 – ha posto un problema fondamentale: così come l’equazione x2 = 4 ha come soluzioni possibili +2 o -2, anche l’equazione di Dirac può avere due soluzioni, una per un elettrone con energia positiva ed una per un elettrone con energia negativa. Tuttavia, la fisica classica (e il senso comune) afferma per certo che l’energia di una particella debba necessariamente avere un valore positivo.
Dirac ha quindi interpretato l’equazione suggerendo che per ogni particella possa esistere una corrispondente antiparticella, che corrisponde esattamente alla stessa particella, ma con carica opposta. Per un elettrone, ad esempio, deve esistere un antielettrone che abbia carica positiva anziché negativa. Questa possibilità ha quindi aperto la possibilità che possano esistere galassie e universi costituiti di antimateria.
Tuttavia, quando la materia e l’antimateria entrano in contatto, esse vanno incontro ad un processo detto di annichilazione e scompaiono in un flash di energia. In altre parole, l’annichilazione produce radiazione elettromagnetica sotto forma di fotoni ad alta energia (raggi gamma). In determinate condizioni, particelle e antiparticelle possono originare per tempi brevissimi particelle instabili, come i mesoni, o un atomo esotico come il positronio. Si crede che il Big Bang potrebbe essere stato originato da un egual ammontare di materia e antimateria, ma la domanda che oggi si pongono gli astrofisici è questa: perché nel nostro universo l’ammontare di materia ordinaria è infinitamente più grande di quello di antimateria? Al momento delle conoscenze attuali ancora non si conosce la spiegazione, ma si sta investigando sulla strada che vede coinvolto il bosone di Higgs.
L’antimateria prodotta naturalmente in piccolissimi quantitativi nei processi astronomici più energetici, (i raggi cosmici che giungono in ogni istante anche sulla Terra) o prodotta nei laboratori di fisica delle particelle presenti sul nostro pianeta ha vita breve e non può essere immagazzinata per tempi significativi, in quanto si annichilisce al primo contatto con la materia. Questo processo accade in ogni istante quando l’antimateria proveniente dai raggi cosmici collide con le molecole dell’atmosfera terrestre. Il processo in questione ha una efficienza del 100% e libera fotoni di altissima energia, cioè raggi gamma, confermando l’equazione di equivalenza della Relatività Ristretta di Einstein tra massa ed energia. Contenitori magnetici specifici però hanno permesso di conservare alcune particelle portando quasi allo zero assoluto (temperatura in gradi Kelvin) la temperatura del contenitore stesso, ciò che “ferma” il moto delle particelle mantenute anche per minuti od ore.

Da quando è stata teorizzata l’esistenza dell’antimateria diversi laboratori sono nati con lo scopo di studiarne le proprietà. Tra i più rinomati laboratori di particelle c’è il CERN di Ginevra, un immenso laboratorio sotterraneo provvisto di dispositivi di alta tecnologia che spaziano anche nell’ordine di migliaia di chilometri quadrati. Diverse sono le strumentazioni in sua dotazione. Oltre al Large Hadron Collider, un acceleratore di particelle, che ha permesso di rivelare per la prima volta nel 2012 l’esistenza del bosone di Higgs, esiste l’AD, acronimo che sta per Deceleratore di antiprotoni. Si tratta di una macchina che produce antiprotoni a bassa energia per studiare appunto l’antimateria. Il deceleratore produce fasci di antiprotoni e li invia a diversi dispositivi per diversi esperimenti.
Un fascio di protoni che arriva dal dispositivo PS (Sincrotrone di Protoni) viene sparato all’interno di un metallo. La collisione dei singoli protoni con le particelle subatomiche del metallo genera altre particelle secondarie, che includono anche moltissimi antiprotoni. Questi antiprotoni hanno troppa energia per poter essere utilizzati per formare antiatomi completi. Hanno tra loro anche diverse energie e si muovono in maniera casuale in tutte le direzioni. Il lavoro dell’AD è quello di domare queste particelle disordinate e trasformarle in fasci di particelle utili, quindi a bassa energia (rallentandoli e raffreddandoli), che possano essere usati per produrre antimateria (quindi antiatomi completi).
Studiare l’antimateria è molto complicato, perché, come già accennato, essa si annichila non appena entra in contatto con la materia ordinaria. Nel 2010, il laboratorio ALPHA del CERN ha dimostrato come è possibile conservare un atomo di anti-idrogeno in una trappola magnetica e, da allora, si è cercato di capire come l’antimateria si comporta nella interazione con la luce.
Ogni 15 minuti o poco più/meno, ALPHA è in grado di produrre circa 25000 atomi di anti-idrogeno. Per formarli, i fisici combinano i positroni, emessi da una sostanza radiattiva, con antiprotoni (prodotti da un acceleratore di particelle, che poi vengono rallentati e raffreddati da AD). Nonostante questi antiatomi di idrogeno siano stati rallentati e raffreddati, la maggior parte mantengono comunque la loro elevata energia, per cui i ricercatori devono lasciarli scappare dalla trappola magnetica, mantenendo solo una manciata di quelli più lenti e a bassa energia. Come affermato da Jeffrey Hangst, non è tanto difficile creare antiatomi di idrogeno, quanto riuscire a domarli.
Grazie ad ALPHA gli scienziati sono riusciti a comprendere come la transizione energetica dell’antimateria sia la stessa della sua controparte (la materia ordinaria); in altre parole, questo significa che se una certa frequenza elettromagnetica (per esempio quella emessa da un laser) è in grado di far compiere un salto di energia ad un atomo di idrogeno, la stessa frequenza farà compiere lo stesso salto energetico ad un antiatomo di idrogeno. Il gruppo di ricerca che ha studiato questa proprietà dell’antimateria afferma che l’accuratezza dell’esperimento è molto elevata, come riportato il 19 Dicembre su Nature.
Intanto gli esperimenti al CERN di Ginevra continuano e noi attendiamo impazienti per scoprire cose sempre più nuove.