di  -  lunedì 22 novembre 2010

Non soltanto LHC.

I riflettori di tutto il mondo sono puntati su quattro esperimenti del Large Hadron Collider (LHC), ma il CERN è un grande laboratorio, che include centinaia di scienziati che lavorano su esperimenti diversi. Un esempio è la collaborazione ALPHA, un esperimento che vuole produrre ed intrappolare atomi di anti-idrogeno, per capirne le proprietà e risolvere uno dei più grandi misteri dell’Universo: dov’è finita l’antimateria?

L’antimateria è composta da particelle perfettamente identiche alle particelle di materia, ma di carica opposta. Quando una particella e la sua antiparticella si incontrano, annichiliscono, ovvero si disintegrano vicendevolmente rilasciando energia sotto forma di radiazione gamma.

L’elettrone ha un anti-elettrone (detto positrone) che è identico all’elettrone ma con carica positiva. Il protone ha l’antiprotone, e anche il neutrone ha il suo partner anti-neutrone. In quest’ultimo caso la differenza non si nota dal segno della carica elettrica (essendo il neutrone neutro…) ma dal fatto che quando un neutrone e un antineutrone si incontrano annichiliscono. Questo avviene perché la loro composizione interna è differente: se il neutrone è composto di “quark” (i mattoni fondanti della materia) l’antineutrone è composto di antiquark.

Per quanto si osservi l’universo, in lungo e in largo, la materia domina sempre sull’antimateria. Le antiparticelle che esistono solo libere (non legano in atomi stabili, in natura) e hanno una vita media estremamente breve poiché, appena create, si distruggono al contatto della materia.

Ma perché c’è così tanta materia e così poca antimateria nell’Universo?

A rigor di logica, quando il Big Bang ha creato l’Universo, ci doveva essere la stessa quantità di materia e antimateria. Poi, subito dopo, c’è stato quello che si definisce “decouplig”, disaccoppiamento della materia con l’antimateria, dove ha iniziato il dominio dell’una rispetto all’altra. Le ragioni e le cause di questa asimmetria sono attualmente uno dei più grandi misteri della scienza.

Ci sono diversi approcci per cercare di rispondere a questa domanda. L’esperimento ALPHA usa il sistema più basilare che si possa immaginare. Prendiamo l’atomo più semplice che compone il nostro universo: l’atomo di idrogeno. La fisica degli ultimi secoli ci ha rivelato tutti i segreti di questo atomo. Benissimo. Adesso prendiamo la sua controparte, l’anti-idrogeno, e vediamo se si comporta nella stessa maniera, o se ci sono delle differenze, e quali.

Facile a dirsi, più difficile a farsi.

Prima di tutto, dove troviamo un atomo di anti-idrogeno? Come detto, non sono presenti in natura. Il CERN fornisce un apparato unico nel suo genere per creare anti-materia. È un acceleratore di particelle chiamato AD (Antiproton Decelerator – non Appunti Digitali..) che parte dallo stesso flusso di protoni che poi entra nell’anello dell’LHC, ma li dirige verso altro destino. I protoni ad alta energia vengono fatti collidere con un bersaglio fisso. L’energia è così alta che la collisione crea coppie protone-antiprotone. Tramite l’utilizzo di potenti magneti, gli antiprotoni vengono tratti in salvo e decelerati attraverso dei campi elettrici. Una volta  rallentati a sufficienza, vengono “shakerati” in una “trappola di Penning” assieme a dei positroni (generati tramite il decadimento dell’isotopo radioattivo di Sodio22) al fine di farli legare assieme creando atomi di anti-idrogeno.

Questi anti-idrogeni, però, non sono più carichi, e quindi non sono più intrappolati nella trappola di Penning. Appena liberi di viaggiare, vengono immediatamente distrutti, e quindi addio studi. Questo è quello che è successo nel 1995, quando il primo atomo di anti-idrogeno è stato creato al CERN. Nel 2002 gli esperimenti ATHENA e ATRAP hanno creato molti atomi di anti-idrogeno, senza mai riuscire a farli sopravvivere per più di qualche manciata di microsecondi. Per poterli studiare con metodi di spettroscopia laser, è invece necessario mantenerli in vita per un tempo più lungo.

C’è però un altro metodo per intrappolare atomi neutri. Si può sfruttare il fatto che, seppur privi di carica, gli atomi possiedono un “momento magnetico“. Creando un campo magnetico non uniforme, che varia da un punto di minimo a un punto di massimo, è possibile intrapolare gli atomi in uno stato quantistico (a un “livello eccitato”) specifico, che viene attratto dal minimo del campo magnetico. Questo metodo è anche utilizzato per studiare gli atomi nel loro livello di eccitazione più basso, il condensato di Bose-Einstein.

In questo modo, l’esperimento ALPHA è riuscito a creare e intrappolare per diversi decimi di secondo ben 38 atomi di anti-idrogeno. Il successo di questo esperimento è spiegato nei dettagli in un articolo pubblicato sulla rivista Nature pochi giorni fa. Aspettiamo quindi fiduciosi il prossimo articolo, che potrà svelarci molti dei segreti di questo aspetto della materia che ancora non comprendiamo.

31 Commenti »

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  • # 1
    supertigrotto
     scrive: 

    In un ipotetico futuro,usare materia e antimateria servirà per produrre energia pulita e per eventuali motori di navi spaziali.
    Solo che l’antimateria non si compra al supermercato,produrla e stoccarla costa!

  • # 2
    gluone
     scrive: 

    Complimenti per l’ottimo articolo. Appena uscita la notizia avevo cercato un sunto veloce sulle principali testate giornalistiche ma il tuo li supera tutti per chiarezza, semplicita’ ed approfondimento !

    Aspetto con ansia il prossimo articolo.

    Grazie

  • # 3
    [D]
     scrive: 

    “Solo che l’antimateria non si compra al supermercato,produrla e stoccarla costa!”

    Come hanno sintetizzato in quella tamarrata di Wild: in natura tutto deve avvenire con il minimo sforzo. Il costo energetico speso nel cacciare una preda deve essere sempre minore dell’apporto energetico che questa comporterà.

    In altre parole, ci possiamo scordare le navi spaziali se l’energia che le farà muovere avrà un costo produttivo superiore al ricavato.

    Secondo me si potrebbe curare il cancro con questa antimateria e tutte le malattie in generale. L’uso di nanotecnologie per diffondere gli antiatomi nei posti giusti e liberarli contro virus e batteri.

  • # 4
    LZ
     scrive: 

    Sarò cinico, ma ho la sensazione che il primo utilizzo “pratico” dell’antimateria sarà una bomba. 1 kg di antimateria, collidendo con 1 kg di materia, genera la bellezza di 9*10^16 Joule. Un megaton sono 4.2*10^15 Joule. Il che vuol dire che una bottiglia di “anti-acqua” potrebbe emettere l’energia di una bomba nucleare di più di 20 megaton…

  • # 5
    andrea
     scrive: 

    ma io mi chiedo… dato che si parla di atomi e quindi di roba con diametro di 10 alla meno un sacco di cifre, e considerando che viaggiano a delle velocità inimmaginabili: come fanno a dire “li abbiamo tenuti in vita per qualche decimo di secondo”? chi glielo dice? il ritardo dell’energia sprigionata dalla disintegrazione? eppoi, dove l’hanno tenuti prima che si disintragrassero? in una scatola?

    misteri della fisica atomica :|

  • # 6
    andrea
     scrive: 

    @LZ

    finalmente sappiamo quale sarà l’arma che spazzerà via la terra una volta per tutte… così la facciamo finita di depredare questo pianeta, WWIII is coming…

    ps. inoltre sappiamo che questa sarà la trama di almeno 80 americanate, con l’aereo il sottomarino il veliero il dirigibile il superleggero l’autobus ecc ecc

  • # 7
    avve
     scrive: 

    Quante cazzate! Ma proprio è indispensabile commentare per alcuni?
    L’antimateria come fonte di energia? Piuttosto utopico, specialmente se consideriamo che la stragrande maggioranza delle fonti energetiche attuali si basano tutte su principi termodinamici, e che l’annichilamento produce energia soprattutto sotto forma di raggi gamma ad alta energia.
    L’antimateria come bomba? Già ci avviciniamo nel range delle probabilità, sempre però mantenendo la rispettosa distanza. Attualmente il potenziale di una bomba h è ben oltre il realisticamente utilizzabile in qualsiasi scenario bellico mondiale, quindi salvo l’improvvisa scoperta di civiltà aliene tecnologicamente sviluppate, belligeranti e a distanze spaziali ragionevoli, non sarà mai usata una bomba h in guerra, figuriamoci una di antimateria superpotente (20 megatoni sono tanti…).
    Nell’ambito dell’ipoteticamente ipotetico potrebbe venire d’aiuto per la creazione di ordigni nucleari “tattici”. Supponiamo ad esempio di riuscire a fare una pillola da 5 grammi contenente mezzo grammo di antimateria (fate voi il calcolo dell’energia sprigionata), fargliela ingurgitare un piccione ammaestrato, e… chi ha giocato a Worms avrà già capito la citazione :))

    ma all’atto pratico anche solo pensare di utilizzare l’antimateria di qualcosa è puramente speculativo, anzi, ritengo che faccia perdere di vista il concetto per cui la ricerca TEORICA, scevra da utilitarismi che ne condizionano le direzioni (e i finanziamenti), ha una sua dignità e utilità, sia per gli imprevisti e imprevedibili sbocchi pratici (serendipità) sia soprattutto per avvicinarci ad ottenere ciò che l’uomo ha sempre desiderato: una conoscenza completa degli eventi naturali che caratterizzano l’esistenza stessa.

  • # 8
    [D]
     scrive: 

    “Il che vuol dire che una bottiglia di “anti-acqua” potrebbe emettere l’energia di una bomba nucleare di più di 20 megaton…”

    Che bello…
    Ma purtroppo le cose vanno così, da sempre: se hai un’idea, se vuoi portarla avanti, se vuoi fare delle ricerche di un certo tipo, ti servono soldi, tanti soldi. Se ti affidi ai privati questi ti soffieranno sul collo perchè avranno fretta di guadagnare quindi niente fisica atomica “che forse tra 100 anni porterà qualcosa ma intanto è bello veder girare le palline e supporre se si divertono a farlo” quindi restano i politici ed i militari e questi si sa cosa vogliono ottenere dalla ricerca.

    La famosa auto che si guida da sola non riceve i finanziamenti dal darpa perchè agli usa sta a cuore la sicurezza stradale ed ipoteticamente se tutte le auto avessero il pilota automatico non ci sarebbero più incidenti stradali ma semplicemente perchè spera un giorno di poter costruire dei droni terrestri da spedire in iran a fare tabula rasa.

  • # 9
    Giulio85
     scrive: 

    Si ma luoghi comuni a go-go eh… evitiamo di finire nel becero complottismo da 4 soldi.

  • # 10
    goldorak
     scrive: 

    Si ma qui molti non hanno proprio il senso della misura. Al CERN hanno prodotto 34 miseri atomi di anti-idrogeno. Per avere una bottiglia di anti-acqua, facciamo meglio per avere un microgrammo di anti-acqua ci vorrebbero almeno 10^23 antiatomi di acqua. Il CERN dovrebbe lavorare piu’ a lungo dell’eta’ dell’universo per avvicinarsi ad una frazione infinitesima di quei potenziali 10^23 antiatomi.
    Il succo del discorso e’ che l’antimateria come fonte di energia non e’ possibile ne’ adesso ne’ in futuro (neanche remotissimo futuro). A meno di non scoprire enormi distese di antimateria nell’universo, ma visto che non e’ cosi’ se vogliamo energia pulita ce’ energia solare, energia eolica e la fusione.

  • # 11
    [D]
     scrive: 

    Quale complottismo ? Dove lo vedi ? Esiste un detto: neanche il cane muove la coda per niente. Dove li vedi tutti questi filantropi pronti ad investire cifre astronomiche in ricerche che non garantiscono niente sia come risultati che tempistiche ?
    Spesso non vediamo investimenti neanche in cose che possono effettivamente garantire dei risultati e mi vieni a parlare di complotti se faccio notare qual’è da sempre lo scopo ultimo della ricerca finanziata da enti militari ?

  • # 12
    [D]
     scrive: 

    \antiatomi di acqua\

    Diciamo pure antimolecole di acqua e quindi, vista la difficoltà già di produrre atomi, credo che prima di parlare di una bottiglia di antiacqua si potrebbe cercare di fare qualcosa con l’idrogeno. Comunque sono solo sottigliezze perchè supponiamo pure che per avere energia basta avere anche solo 50 anti atomi di qualcosa, dovremmo ottenere energia gamma: sbaglio o dovrebbe far male questo tipo di energia ?
    Cioè supponiamo pure di poter mettere in piedi della batterie gamma, il rischio per la salute non sarebbe tale che a quel punto potremmo farci bastare le pile al plutonio ?

  • # 13
    Giacomo
     scrive: 

    Ma non è pericoloso cercare di intrappolare l’antimateria in una trappola di (necessariamente) materia?
    In caso di collisione tra l’una e l’altra non avviene un bel botto?

  • # 14
    davide
     scrive: 

    Complimenti per l’articolo…
    .. sempre molto interessante.

    Avrei due domande… probabilmente metafisiche… :)

    1) il disaccoppiamente materia-antimateria.. si è verificato subito dopo il Big Bang (per poi annichilirsi in una fase successiva dell’espansione)… o gia “prima” del grande botto quark ed antiquark convivevano pacificamente grazie alle alte energie in cui presumibilmente stavano.

    2) antimateria e materia… si attraggono per forza gravitazionale e/o elettrostatica… o tocca scomodare le interazioni forti/deboli ?? In altre parole… un antiprotone attrae un protone .. o si respingo per forza elettrostatica ?

    grazie :)

  • # 15
    M1ao
     scrive: 

    A me piace sparare teorie che mi vengono così quindi sparo la mia: chi ci dice che la materia ha sovrastato l’antimateria? Tutti parlano di sovrastazione, nessuno ha mai teorizzato la possibile ciclicità di materia e antimateria?
    Del tipo che adesso siamo nel ciclo materiale, non innescato ma bensì iniziato col bigbang (bigbang come effetto e non come causa).
    L’universo potrebbe comportarsi come un “elastico” ove in questo momento si sta espandendo consumando energia e “rilasciando” entropia di fondo.
    Potrebbe arrivare al punto in cui la sua tensione esterna si pareggi con la forza di attrazione esercitata dal centro dell’universo stesso e che quindi inizi a regredire, finchè non si condensa in un punto ovvero la fine del ciclo materiale.
    La forza di compressione della materia darebbe l’energia per iniziare un ciclo antimateriale con un antibigbang e un anti universo in espansione e successiva compressione, sempre rilasciando entropia.
    Una teoria così avrebbe come punto di arrivo la fine di questi cicli a causa delle dispersioni entropiche, ma anche una noia non da poco che sarebbe: qual è stata la causa scatenante di questo movimento ciclico?

    Scusate ma mia digressione :P

  • # 16
    secutor12
     scrive: 

    miao:
    Sparare teorie così alla buona senza avere competenze fisiche (non te ne faccio una colpa, bisognerebbe essere laureati per capircene qualcosa, io stesso non sono un fisico) è quantomeno ilare e figuriamoci quanto riderebbe (o rabbrividirebbe) un fisico a sentire le tue teorie… un po’ come quando noi, si presume appassionati di tecnologia, andiamo su yahoo answer a leggere le domande di “tecnologia” (roba tipo: “cosa sono i tunes?”)…
    Insomma, di teorie ne hanno elaborate tantissime e la fisica è forse il campo più in espansione e forse più affascinante ora come ora… noi “profani” possiamo accontentarci di vedere qualche interessante documentario di Stephen Hawking su Discovery Channel, ma per il resto teorie così saranno probabilmente già state elaborate e/o scartate per motivi che vanno oltre la nostra comprensione…

  • # 17
    n0v0
     scrive: 

    x M1ao

    senza offesa ma un discorso come il tuo può andare bene in un racconto di fiabe.
    Non si possono fare domande “a vanvera” e pretendere una risposta seria. Sarebbe simile se in un articolo che parla di religione ne uscissi con una frase tipo “secondo me Cristo è morto di sonno, voi che ne dite?”

    Suona un po’ stonata, ti pare? :)

  • # 18
    goldorak
     scrive: 

    @ M1ao : tralasciando queste “teorie” tirate fuori dai capelli dei maghi, la conferma sperimentale che non solo l’universo si espande ma che si espande a ritmo accelerato fa crollare del tutto la tua fanta-teoria. Ma non te la prendere. Forse ne faranno menzione a Misteri. ^_^

  • # 19
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    @Davide
    1) Non c’è ragione per cui al momento della bariogenesi (ovvero quando si è formata la materia) ci sia stata una sproporzione tra materia e antimateria. L’asimmetria si è verificata dopo, ma non si sa bene come e perché….

    2) Le antiparticelle sono particelle a tutti gli effetti, di conseguenza hanno le stesse medesime 4 interazioni (elettromagnetica, forte, debole a gravitazionale) che hanno anche le particelle. Se hanno carica elettrica, si comportano come cariche qualsiasi.
    È vero però che non è del tutto escluso che l’antimateria subisca una forza gravitazionale repulsiva. Questo però è solo una speculazione, visto che è impossibile al momento disporre di una quantità di antimateria sufficiente per verificare una cosa del genere

  • # 20
    Andrea
     scrive: 

    Affascinante nonché impressionante!

    :-)

  • # 22
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    @lollo
    a parte le bestialità di chi invoca buchi neri che risucchiano la terra eccetera eccetera, vorrei sottolineare che questo post non si riferisce in alcun modo a nessuno degli esperimenti dell’LHC o all’utilizzo di questo acceleratore…

  • # 23
    homero
     scrive: 

    38 atomi di antimateria…..insomma è risultato strepitoso….il problema è che sono gli unici sulla terra a poterlo sperimentare….
    esiste una elite di fisici che sperimenta….e detta legge…..e tutti gli altri stanno a guardare adoranti….

  • # 24
    goldorak
     scrive: 

    @ homero : Dio detta legge, i fisici si contentano di studiare scientificamente le leggi fisiche. Ce’ una bella differenza.

  • # 25
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    Caro homero,
    chi ti impedisce di studiare fisica, fare il dottorato, un paio di post-doc e di trovare un posto al Cern?
    Sentiti pure libero di farlo.

  • # 26
    brico
     scrive: 

    Perché ci sia assai più materia che antimateria è presto detto. Dato il big bang (sempre che ci sia stato) e la generazione di materia e antimateria in parti uguali, basta una piccolissima differenza nella distribuzione spaziale tra le due cose per determinare il prevalere dell’una sull’altra in tempi relativamente assai brevi e in modo definitivo. Il fatto che abbia prevalso quella che chiamiamo materia su quella che chiamiamo antimateria è assolutamente casuale e dovuto alle differenze di distribuzione dell’una rispetto all’altra quando erano entrambi in abbondanza nell’universo, determinandosi la condizione che ha consentito l’annichilamento massiccio dell’antimateria.

  • # 27
    Fabio
     scrive: 

    Per rispondere al quesito relativo alla supremazia della materia sull’antimateria, io penso che la riposta possa essere data dalla cosmologia inflazionaria. Le fluttuazioni quantistiche avvenute al momento in cui l’inflatone è “esploso” potrebbero aver consegnato la vittoria alla materia piuttosto che all’antimateria, considerando che un numero esiguo di particelle in più può aver fatto la differenza. Senza contare che, sempre per citare la cosmologia inflazionaria, potrebbero esserci regioni dell’universo dominate dall’antimateria, con le quali la nostra “regione” non potrà mai entrare in contatto a causa dell’impossibilità di scambiare informazioni, e quindi di contatto, a velocità superiori a quella della luce.

    Voi cosa ne pensate, può essere ragionevole?

  • # 28
    nicola.caldera
     scrive: 

    E se l’antimateria fosse finita tutta dentro un buco nero?

    Eleonora Presani i suoi articoli sono affascinanti, sono quelli che leggo più volentieri qui su AD grazie.

  • # 29
    Cesare Di Mauro
     scrive: 

    Il buco nero non è che ingoi la materia e la faccia sparire. Se esistono buchi neri “panciuti” (supermassivi; specialmente al centro delle galassie) è perché hanno mangiato troppo, ma la materia è sempre lì (al più potrebbe disperdersi sotto forma di radiazione; se non ricordo male era un’ipotesi di Hawking). :)

    Riguardo alla questione quantità di materia e antimateria, parlo da profano (non sono un fisico, ma un semplice estimatore) e mi pongo qualche domanda: perché devono essere esistite in quantità eguali? E’ stato dimostrato o è soltanto una teoria? Idem per la simmetria: è stato dimostrato che ogni tipo di particella deve prevedere un sua “antagonista” (non parlo di questioni quantitative, ma qualitative, sia chiaro), oppure può esistere un universo dotato di particelle “uniche” (senza la duale)?

    Ponendo che l’universo debba essere simmetrico sia per qualità che quantità, se all’inizio era presente la stessa quantità di materia e antimateria (suddivisa equamente nelle rispettive particelle), non credo che l’antimateria sia sparita per magia, lasciando dominare la materia. Al più si sarà trasformata in energia (oscura?), ma il bilancio (dE = dMc^2) dovrebbe rimanere lo stesso, no?

    Non fatemi a pezzi! :P

  • # 30
    maidireformai
     scrive: 

    Secondo voi un super sajan 4 a quanti kg di antimateria equivale?

  • # 31
    maidireformai
     scrive: 

    cmq articolo interessante, cosi si impara qualcosa di nuovo.
    senza dover finire a parlare sempre di SSD e VGA.

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