Nuova produzione di antimateria, ma siamo ancora lontani dall’Enterprise

È di queste ore l'annuncio della creazione di un fascio di antimateria stabile al CERN da parte dell'esperimento Asacusa. Come suggerisce il nome, un gioco di parole con uno dei maggiori templi di Tokyo, Asakusa (lett. bassa erba) l'esperimento è diretto da un giapponese,Yasunori Yamazaki del RIKEN, ma si avvale della collaborazione di scienziati di tutto il mondo.

Siamo lontani anni luce dalle fesserie farneticate in "Angeli e Demoni" e anche dai motori dell'Enterprise, ma questi studi aprono scenari forse ancora più importanti per lo studio della fisica fondamentale.

Cos'è l'antimateria?

Le antiparticelle sono quasi identiche alle particelle di materia normale: la principale differenza è che hanno carica elettrica opposta. Quando una particella si scontra con un'antiparticella si ha la totale conversione in energia, producendo alcuni raggi gamma. Questo fenomeno è usato quotidianamente nella PET (Positron Emission Tomography) per la diagnostica di tumori.

Che ha di particolare questo esperimento?

Si parla di antimateria e non di antiparticelle perché è un fascio di anti-atomi di (anti)idrogeno, ossia un antiprotone (negativo) intorno al quale orbita un positrone (positivo), mentre gli atomi di idrogeno ordinario sono formati da un protone (positivo) e un elettrone (negativo). Il fatto di essere elettricamente neutri e a temperature molto vicine allo zero assoluto permette al gruppo di atomi di restare in vita per un periodo molto lungo e studiare in dettaglio le proprietà di questo sistema.

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Razzismo astrofisico: L'asimmetria materia-antimateria nell'universo.

Particelle ed antiparticelle
del modello standard.
 Immagine da qui

L'apparente universalità delle leggi della fisica  nasconde profonde e fondamentali discrepanze tra quello che ha luogo nell'universo e negli acceleratori di particelle.

Questi apparenti paradossi - al momento irrisolti - sono  oggetto di ricerca da svariati decenni sia dal punto di vista teorico che sperimentale, senza che però si sia riusciti a compiere  significativi progressi.  

1. Dov'è finita l'antimateria?

Perché il 4% di materia (protoni, elettroni, nuclei) che compone le stelle e le galassie è composto apparentemente solo di materia? Questa domanda giace dietro il problema della materia oscura, probabilmente costituita da una particella ancora inosservata, ma è plausibilmente distinto da esso. 

Le leggi della fisica delle particelle elementari mostrano infatti una simmetria tra materia ed antimateria. Se la collisione di una particella e la sua antiparticella produce energia, le leggi di conservazione prevedono che da essa si debbano create materia ed antimateria in parti uguali. Applicate su scala cosmica, queste leggi prevedebbero un universo costituito da uguali quantità di materia ed antimateria. L'universo appare costituito da sola materia:  infatti se vi fossero zone dominate da antimateria, il loro confine con la nostra regione dovrebbe brillare nei raggi gamma dell'annichilazione. 

Il Big Bang ha avuto una fase
di espansione rapidissima.
Immagine da qui

Pertanto le  le  leggi delle particelle elementari da noi conosciute devono aver iniziato ad esser valide solo dopo un certo tempo dal Big Bang.  Quali leggi più generali e ancora ignote erano valide prima? Come hanno prodotto questa macroscopica asimmetria tra materia ed antimateria? Nesssuno ne ha la più pallida idea. 

Lo scienziato e dissidente sovietico Andrei Sakharov, padre della bomba all’idrogeno sovietica, indicò nel 1967  tre eventi che si devono esser verificati in passato per portare alla asimmetria da noi attualmente osservata. Secondo le tre condizioni di Sakharov è necessario quindi: 

1) che l’universo non sia in equilibrio termico, cioè che si vada progressivamente raffreddando. 

        [verificata]: infatti l’universo nei suoi primi istanti di vita ha subito una fase -  detta di inflazione - in cui l’espansione è stata rapidissima, seguendo una legge esponenziale. Questa fase di inflazione potrebbe aver consentito ad una interazione ancora sconosciuta di creare un eccesso di materia rispetto all’antimateria, ingrandendo l’universo così velocemente da non dare tempo alle particelle appena nate di ricombinarsi secondo il processo inverso.           

Lo scienziato e dissidente sovietico
Andrei Sakharov

2) che non si conservi il numero barionico. De esser quindi possibile  creare in una singola reazione protoni senza creare anche un ugual numero di antiprotoni. 

      [non verificata] Non si conosce nessun fenomeno in natura che violi il numero barionico: conseguenza di questo è ad esempio la stabilità misurata del protone. 

3) che la produzione di materia sia privilegiata rispetto a quella di antimateria, ossia che si violi la legge simmetria di carica e parità (CP). 

   [appena accennata] La forza debole, responsabile del decadimento nucleare beta (che emette elettroni o positroni), può violare la simmetria di CP nel decadimento di alcune particelle. Questa violazione è però di gran lunga  troppo piccola per poter essere  in grado di soddisfare appieno la terza condizione.  

(1) continua in Separati in casa: Meccanica quantistica contro Relatività generale

Questo post partecipa al carnevale della fisica 39, dal tema "Paradossi nella fisica".

2000 giorni di PAMELA in orbita

Il 5 dicembre lo spettrometro magnetico PAMELA ha compiuto 2000 giorni di volo nello spazio.

Lo strumento, lanciato a bordo del satellite russo Resurs-DK1 il 15 giugno 2006 aveva già festeggiato 5 anni qualche tempo fa. 

PAMELA studia i raggi cosmici carichi, protoni, elettroni, nuclei di elio; lo spettrometro magnetico permette di estrarre la rarissima componente di antimateria, antiprotoni e positroni, importante sia per la ricerca indiretta di materia oscura che per comprendere perché il nostro universo sia composto di sola materia. 

Purtroppo qualunque  campo magnetico devia le particelle cariche e quindi quello che abbiamo sono "solo" i flussi di particelle, ossia quante particelle ci sono ad una certa energia. 

Gli obiettivi scientifici di PAMELA nel plot di Hillas. 

A bassa energia (10⁹  eV) vi sono quelle intrappolate 

nelle fasce di Van Allen della magnetosfera terrestre, poi quelle emesse 

nelle eruzioni solari e  modulati nel nostro sistema solare  (10¹⁰  eV). 

Positroni ed elettroni vengono dal "vicinato" galattico,

 1-2 kpc, mentre protoni ed antiprotoni scorrazzano 

liberamente per tutta la galassia sino a  circa 10¹⁸  eV. 

Anche se non è possibile produrre le splendide immagini di satelliti come AGILE, Fermi o Hubble, studiando i flussi delle varie particelle è possibile ottenere informazioni molto dettagliate su come i raggi cosmici sono stati prodotti e si sono propagati nella galassia, nel nostro sistema solare ed in prossimità della Terra. 

I fenomeni che governano la magnetoidrodinamica -  disciplina che studia l''interazione tra particelle e campi magnetici - sono molto simili indipendentemente dalle scale in gioco: studiando la produzione di particelle emesse nelle eruzioni solari è possibile comprendere i meccanismi che hanno luogo nelle pulsar e nei nuclei galattici attivi, galassie dominate da immensi buchi neri.

Antimateria e la materia oscura nello spazio con PAMELA (2)

Adattato ed aggiornato da M.C., P. Picozza, Pamela: la ricerca di antimateria nello spazio, Le Stelle, n.73 maggio 2009. 

Seconda parte

Obiettivi scientifici e risultati

Gli obiettivi scientifici di PAMELA sono riassunti nella  figura sottostante e vanno dalla ricerca di antimateria nello spazio allo studio dei raggi cosmici galattici, solari ed intrappolati. Il grafico, realizzato per la prima volta da Hillas, rappresenta le varie sorgenti astrofisiche a seconda delle loro dimensioni e dell'intensità del loro campo magnetico. Ogni oggetto astrofisico è in grado di accelerare particelle sino ad una energia massima definita da questi due parametri. Anche se le energie in gioco sono enormemente diverse, i processi di magnetoidrodinamica - la disciplina che studia l'interazione tra particelle e campi magnetici - su una scala più facilmente accessibile, come ad esempio le fasce di radiazione terrestri, aiutano a comprendere fenomeni che avvengono in strutture più complesse e lontane (come le pulsar). Punto di forza dell'esperimento è dunque lo studio dei raggi cosmici nei suoi diversi aspetti, spaziando dalla fisica delle interazioni fondamentali ai meccanismi di produzione, accelerazione e propagazione delle particelle nella galassia, nel nostro sistema solare ed intorno al nostro pianeta.

Gli obiettivi scientifici di PAMELA e le sorgenti astrofisiche studiate.

Antimateria, antiprotoni e positroni.

Come già accennato, obiettivo principale dell’esperimento è la misura accurata dello spettro di antiparticelle nei raggi cosmici. Antiprotoni e positroni hanno la stessa massa e lo stesso valore assoluto della carica elettrica delle loro controparti, protoni ed elettroni, che sono i costituenti di base degli atomi del nostro mondo. Le loro cariche elettriche hanno però segno contrario e dunque possono essere identificati dalla opposta curvatura nel campo magnetico di PAMELA. La rarità di queste antiparticelle – un antiprotone ogni 100.000 protoni ed un positrone ogni 10 elettroni – è un’altra prova della asimmetria tra materia ed antimateria. Queste componenti sono normalmente prodotte in urti tra protoni galattici ed il gas interstellare e  non sono contaminate dalle sorgenti stellari e costituiscono un ottimo strumento per la ricerca indiretta della materia oscura. Infatti, un eventuale eccesso del numero di antiparticelle rivelate può essere indice di materia oscura che si è annichilata dando un ulteriore contributo alla loro produzione. A seconda dei vari modelli sulla natura e massa delle elusive particelle che compongono questo tipo di materia, è possibile prevedere distorsioni e incrementi degli spettri di antiprotoni e positroni.

Produzione di antiprotoni nel mezzo interstellare. I protoni relativistici,  accelerati nell'esplosione di supernovae, urtano con quelli in quiete della polvere galattica. Dalla collisione viene prodotto un antiprotone ed un protone (per conservazione della carica e del numero barionico). 

Anche la materia oscura può produrre antiparticelle. Secondo molte teorie questa particella può annichilarsi se viene a contatto con un'altra particella uguale (è la sua stessa antiparticella), producendo raggi gamma, positroni-elettroni o protoni-antiprotoni. Solo i positroni e gli antiprotoni (ed eventualmente i gamma) sono prodotti in quantità sufficienti per poter rivelare essere rivelati.  

Produzione di particelle secondarie a seguito dell'annichilazione delle particelle di materia oscura. 

Le misure di PAMELA hanno raggiunto per la prima volta  l'energia di 100-200 GeV, energia mai raggiunta precedentemente. Il quadro che emerge è sconcertante e stimolante allo stesso tempo: il numero di antiprotoni appare coerente con quanto aspettato da una produzione normale, mentre quello di positroni mostra un aumento significativo al di sopra di 10 GeV. Sono state avanzate varie ipotesi (varie centinaia in circa 500 articoli!) sulla natura di questo aumento inaspettato di positroni di alta energia la più interessante è appunto quella che siano prodotti dalla annichilazione di materia oscura, anche se sorgenti astrofisiche come pulsar potrebbero contribuire in parte al flusso di positroni osservato.

Misura del rapporto positrone/(positroni + elettroni) (alto) e antiprotone/protone (basso) misurato da PAMELA. La misura del rapporto consente di ottenere una misura più precisa, riducendo gli effetti strumentali. Si noti la rarità delle antiparticelle rispetto alle particelle. La componente di antiprotoni risulta coerente con le varie ipotesi sulla interazione di raggi cosmici nel mezzo interstellare (curve continue e tratteggiate) , mentre quella di positroni mostra un eccesso inaspettato sopra 10 GeV. La curva in nero mostra il contributo atteso in assenza di contributi anomali, mentre la curva in verde ipotizza il contributo di una particella di materia oscura, che – annichilandosi – produce un eccesso di positroni. La curva blu mostra una stima del possibile contributo dovuto a Pulsar.  

2. continua
Parte 1