L’antimateria e la perduta simmetria

 

Yin e Yang

La prima e più importante domanda che andrebbe posta a una distante civiltà aliena che entrasse in contatto con la nostra, potrebbe essere: “Siete composti di materia o di antimateria?“. Questo perché, nel secondo caso, sarebbe opportuno mantenere una congrua distanza di sicurezza da loro, onde evitare fragorosi annichilimenti ed esplosioni. Nel libro e film di Dan Brown “Angeli e Demoni“, il professor Robert Langdon salva il Vaticano dalla minaccia di una bomba di antimateria, trafugata al CERN di Ginevra, mentre nella serie di fantascienza “Star Treck” l’astronave Enterprise usa il fenomeno di annichilimento materia-antimateria come propellente per viaggiare alla velocità della luce.

Eppure l’antimateria è realtà, non solo finzione letteraria o cinematografica.

Fu uno dei padri della fisica quantistica, Paul Dirac (premio Nobel per la fisica nel 1933), che per primo ipotizzò l’esistenza di una nuova particella identica in tutto e per tutto all’elettrone ma di carica opposta. A questo elettrone carico positivamente fu assegnato il nome di antielettrone o positrone. L’ipotesi teorica di esistenza del positrone fu in seguito confermata sperimentalmente dal fisico Carl David Anderson, scoperta che gli valse il premio Nobel per la fisica nel 1936.

L’equazione di Dirac non si applica solamente all’elettrone: ciò̀ significa che per ogni particella per cui è valida l’equazione, esiste una controparte identica in tutto e per tutto tranne che per la carica elettrica (o lo spin); queste nuove particelle furono chiamate antiparticelle e il loro insieme costituisce l’antimateria. Il problema sorge quando materia e antimateria entrano in contatto: le particelle si annichiliscono, cioè̀ si distruggono a vicenda liberando energia sotto forma di raggi gamma (in alternativa possono creare nuove particelle, la cui somma di energia sia uguale a quella di partenza).

Sulla base di tutte le attuali osservazioni effettuate, appare che le strutture note dell’Universo (pianeti, stelle, galassie, gas e altro) siano tutte composte di materia e non di antimateria. Ci sono talvolta segni di fenomeni di annichilazione, ma in ogni caso l’antimateria presente nell’Universo non supera lo 0,1% della materia (questo dato, fortunatamente, risolve anche il problema degli alieni posto in apertura dell’articolo) e la sua vita è molto breve: il tempo di entrare in contatto con la materia.

 

Trasformare l’energia in massa

Tuttavia, l’antimateria può anche essere “creata” artificialmente, seppur in quantità estremamente ridotte. Quando una sufficiente quantità di energia viene forzatamente confinata in uno spazio ridotto, come ad esempio durante le collisioni di particelle ad alta energia al CERN di Ginevra o presso altri acceleratori, vengo prodotte spontaneamente coppie particella-antiparticella. Affinché ciò avvenga, l’energia ceduta alle particelle accelerate deve essere almeno pari alla massa delle nuove particelle; più elevata sarà l’energia impiegata, maggiore la massa prodotta. Quando l’energia si trasforma in massa, vengono create parti uguali di materia e antimateria. Speciali tecniche di “immagazzinamento” consentono poi di tenere l’antimateria separata dal resto (per tempi molto brevi) ed evitare che annichilisca.

Occorre però considerare che si tratta di quantità irrisorie. Anche se il CERN usasse tutti i suoi acceleratori solo per creare l’antimateria, potrebbe produrre non più di circa 1 miliardesimo di grammo per anno. La quantità totale di antimateria prodotta nella storia del CERN è inferiore a 10 nanogrammi – che contengono solo l’energia sufficiente per alimentare una lampadina da 60 W per 4 ore.

Eppure, in linea con le legge E=mc², un solo grammo di antimateria annichilerebbe con la materia liberando un’energia superiore a quella della bomba atomica di Hiroshima, quindi è facilmente intuibile come tale fonte di energia (senza scorie e non inquinante) potrebbe risolvere in un istante il problema energetico della Terra per tutti gli anni a venire.

Il problema risiede nell’efficienza e nei costi di produzione e di stoccaggio dell’antimateria. Con la tecnologia attuale, per creare l’antimateria occorre impiegare un’energia pari a un miliardo di volte quella contenuta nella massa prodotta. Ciò vale a dire che l’ipotetica produzione di un grammo di antimateria costerebbe, ai prezzi attuali, più di un milione di miliardi di euro!

Un altro problema da affrontare è come immagazzinare l’antimateria, perché́ non appena entra in contatto con la materia, entrambi annichiliscono. Il progetto ALPHA del CERN ha dato buoni frutti ma ancora insufficienti: trecento atomi di anti-idrogeno sono stati intrappolati per oltre 16 minuti. Il risultato è dovuto a campi magnetici che creano una sorta di gabbia ermetica, consumando però anch’essi una notevole quantità di energia. In ogni casi, durante i minuti di “isolamento” è stato possibile analizzare in dettaglio ulteriori caratteristiche fisiche dell’antimateria.

 

L’antimateria in medicina

L’antimateria però si forma anche per decadimento naturale di alcuni isotopi, sempre in quantità irrisorie e per brevissime durate. Ad esempio, il corpo di una persona del peso di 80 kg emette 180 positroni l’ora! Questo deriva dal decadimento del potassio-40, un isotopo naturale che viene ingerito con l’acqua potabile, il cibo e la respirazione.

Rappresentazione schematica del principio della PET: il decadimento dell’isotopo produce un positrone che si annichila generando 2 raggi gamma.

Se l’ipotesi di sfruttare l’antimateria per la produzione di energia elettrica sembra essere ancora molto lontana dal realizzarsi, da diversi anni l’antimateria è già entrata nel mondo della medicina a supporto dell’attrezzatura di diagnostica. La PET (Positron Emission Tomography) è un’apparecchiatura utilizzata per la produzione di immagini per osservare processi metabolici del corpo umano e sfrutta il rilevamento dei raggi gamma prodotti da un isotopo, iniettato nel sistema circolatorio, che produce positroni in costante annichilazione con gli elettroni del corpo. I raggi gamma sprigionati durante il fenomeno sono usati per ricostruire immagini ad alta risoluzione.

Il positrone emesso ha vita brevissima poiché́ incontra subito un elettrone e si annichila emettendo due raggi gamma con la stessa energia che si propagano in direzioni opposte. Grazie al fatto che questi fotoni sono originati nello stesso istante e hanno la stessa energia possono venire facilmente rilevati da particolari apparecchiature (i tomografi PET-CT) ed è quindi possibile identificare con la massima precisione il punto in cui si sono originati.

 

La rottura della simmetria

Materia e antimateria furono create in grandissime quantità̀ subito dopo il Big Bang. In seguito, l’antimateria annichilì istantaneamente con la materia e scomparve nel corso di un fenomeno che è stato chiamato Grande Annichilazione. Dirac era convinto che fra materia e antimateria dovesse esistere una simmetria totale ma, se così fosse stato, dopo la Grande Annichilazione l’universo si sarebbe ritrovato pieno di sola luce (raggi gamma) e non saremmo qui a raccontarlo.

Qualcosa deve essere accaduto per far pendere la bilancia verso la materia. Da almeno 40 anni i fisici di tutto il mondo stanno cercando di capire perché materia e antimateria, pur essendo prodotte nella stessa misura dopo il Big Bang, non si siano annientate a vicenda. La materia ha, infatti, avuto la meglio sull’antimateria e riuscire a capire il perché di questa ‘asimmetria’ è una delle scommesse della fisica contemporanea.

Si è visto, infatti, nei moderni acceleratori di particelle, che collisioni ad alta energia producono un numero uguale di quark e antiquark. Eppure, il nostro universo ha un cospicuo surplus di materia. Come o cosa può essere accaduto?

In fisica nucleare il concetto di simmetria gioca un ruolo chiave nella comprensione delle leggi fisiche che governano il comportamento della materia. Una delle simmetrie più note è detta “Simmetria CP” (coniugazione di carica C – inversione spaziale P) e la sua trattazione matematica dettagliata è oltre gli scopi del presente articolo.

La violazione della simmetria CP è di fondamentale importanza perché dimostra che nelle leggi di natura esiste una seppur piccola asimmetria tra la materia e l’antimateria. Questa asimmetria ha determinato la prevalenza della prima sulla seconda ed è questa la ragione per cui oggi tutto l’universo osservato consiste di particelle e non di anti-particelle (a meno di trascurabili eccezioni).

I ricercatori hanno osservato particelle trasformarsi spontaneamente, oscillando, nelle loro antiparticelle a un tasso di milioni di volte al secondo prima di decadere in una forma stabile. Qualche fenomeno sconosciuto potrebbe aver interferito con questo processo nell’universo primordiale, causando il decadimento delle particelle oscillanti in materia più spesso di quanto decadessero in antimateria.

Possiamo dire che l’esistenza di antimateria nell’universo sfugge all’evidenza, e si considera improbabile che qualche regione dell’universo possa essere dominio dell’antimateria. Fino a prova contraria si è perciò costretti a prendere atto del fatto che l’universo si presenta come un universo asimmetrico.

 

Un anti-universo?

Teoricamente però, ricorrendo a un esercizio mentale, potrebbe esistere un anti-universo composto di sola antimateria, per analogia con il nostro.

Occorre a questo punto evidenziare che la terminologia “anti” (contrapposizione, inversione) per le particelle coniugate a quelle della materia è completamente arbitraria e convenzionale. È stata adottata questa convenzione dando per scontato che il nostro Universo fosse il principale e forse l’unico, quindi un eventuale altro è “anti“, ma avrebbe potuto anche essere il contrario. Non c’è alcuna differenza tra particelle e antiparticelle, a parte il segno della carica, che è però convenzionale, quindi un universo costituito di antiprotoni, antineutroni e positroni sarebbe comunque stabile.

Questo ipotetico anti-universo, però, dovrebbe trovarsi a distanze eccezionalmente grandi dal nostro, per evitare che i due mondi possano annichilarsi a vicenda e la sua rilevazione non sarebbe affatto semplice. Infatti, sia la materia che l’antimateria producono luce nello stesso modo; secondo gli scienziati l’unica opportunità per rilevare una regione di antimateria è identificare il confine che la mantiene separata dalla materia. Qualora tale zona di separazione esistesse, sarebbe identificata da una grande produzione di raggi gamma, dovuti ai fenomeni di annichilazione alla frontiera fra i due universi; tale irraggiamento potrebbe così essere rilevato dallo Spettrometro Magnetico Alfa, a bordo della Stazione Spaziale dal 2011.

Eraclito. Particolare della Scuola di Atene, Raffaello.

Tuttavia, esercizio mentale a parte, qualora questo “Yang” del nostro universo esistesse, potrebbe trovarsi a distanze così elevate da non poter essere rilevato.

 

Eraclito

Sembra attuale, in questo contesto, quanto riportato da Eraclito oltre 2500 anni fa: “La natura ama nascondersi” (fr. 123).

Werner Heisenberg, uno dei maggiori scienziati della fisica quantistica, ha spesso scritto che la fisica moderna è concettualmente molto vicina al pensiero eracliteo e al suo riferimento all’importanza cosmica del fuoco, che Heisenberg identifica con il concetto contemporaneo di energia.

Finalizzando un’analisi volta all’unità di pensiero tra le scienze esatte e quelle umanistiche, appare estremamente moderno l’approccio del filosofo di Efeso alla realtà della natura. Come si porrebbe oggi Eraclito di fronte alla scoperta e ai comportamenti dell’antimateria? Eppure a queste domande egli appare aver già risposto, circa nel 500 a.C.:

Ciò che si oppone converge e dai discordanti bellissima armonia“( fr. 8)

Armonia non visibile, di quella manifesta più potente (fr. 54)

Non resta quindi che continuare a osservare la natura e i suoi comportamenti senza limitare la visione della realtà ai soli dati che ci vengono forniti dall’odierna ricerca scientifica. Occorre ricordare, sulla base di una conoscenza acquisita in millenni di storia, che ogni clamorosa scoperta scientifica, poi empiricamente testata e teoricamente dimostrata, nasce nella mente umana grazie all’intuizione creativa di un uomo che si riconosce microcosmo nel macrocosmo.


Foto in alto: Traiettorie di atomi di antidrogeno dall’esperimento ALPHA. (Chukman Quindi – University of California, Berkeley)


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