di  -  mercoledì 24 agosto 2011

The Van Allen Radiation Belts (Courtesy: Addison Wesley Longman)

In questo blog abbiamo parlato più volte di antimateria, chiedendoci se è ancora presente nell’Universo, e come si può fare per rivelarla. Abbiamo anche visto come si può crearla in laboratorio, a fronte di molto tempo e fatica. Oggi parleremo di una recente scoperta fatta da un esperimento di grande preponderanza italiana, il satellite PAMELA, acronimo di “a Payload for Antimatter Exploration and Light-nuclei Astrophysics”.

PAMELA è un rivelatore abbastanza simile all’esperimento AMS-02, di cui abbiamo già parlando, ma leggermente più piccolo e con dei sottosistemi in meno. È stato lanciato nel Giugno 2006 dal sito di Bajkonour in Kazakhstan dal lanciatore Soyuz e da allora ha raccolto dati ininterrotamente.

Questo rivelatore ha ora scoperto una cintura, una zona compresa tra le fasce di Van Allen, dove si accumulano in quantità considerevolmente superiore che altrove particelle di antimateria, in particolare anti-protoni.

Sappiamo che le anti-particelle solo delle fotocopie delle normali particelle di materia, ma hanno carica elettrica (e parità) opposte, cosicché quando entrano in contatto con una particella “normale”, annichiliscono, generando energia sotto forma di raggi gamma. Per questa ragione è particolarmente difficile trovare in giro, o isolare, quantità di antimateria: nel giro di qualche frazione di secondo essa annichilirebbe a contatto con la materia, scomparendo.

Nel corso della sua orbita, relativamente bassa (tra i 350 e i 610 km di altitudine), PAMELA attraversa una parte molto particolare delle Fasce di Van Allen, la così detta “South Atlantic Anomaly“. Le fasce di Van Allen sono un volume a forma di ciambella presente attorno alla Terra in cui vengono accumulate un gran numero di particelle cariche (come protoni ed elettroni), provenienti dal vento solare e dai raggi cosmici, che vengono intrappolate dal campo magnetico terrestre. Le fasce di Van Allen sono in realtà una doppia ciambella, una dentro l’altra, a due diverse altitudini. La fascia più interna contiene particelle più energetiche, poiché il campo magnetico ad altitudini più basse è più intenso. La zona in cui la fascia di Van Allen più interna è più vicina alla superficie terrestre è detta “South Atlantic Anomaly”(SAA), poiché si trova nella zona meridionale dell’oceano Atlantico. La SAA è un concentrato di particelle cariche, tanto è vero che la Stazione Spaziale Internazionale (ISS), come altri satelliti in orbita bassa, ha bisogno di un sistema di schermatura aggiuntivo attraversando la SAA.

Un altro concetto di cui abbiamo già parlato, ma che ricordiamo per introdurre la scoperta, sono i raggi cosmici, ovvero particelle cariche, per lo più protoni, che arrivano sulla Terra da sorgenti galattiche ed extragalattiche, e che, raggiungendo l’atmosfera terrestre, creano “cascate” di altre particelle scontrandosi coi nuclei dell’atmosfera. In particolare, se l’energia di questi raggi cosmici è sufficientemente elevata, possono creare coppie di neutroni e antineutroni. Mentre i protoni vengono intrappolati dal campo magnetico terrestre, i neutroni, essendo neutri, posso viaggiare liberi. Accade che degli antineutroni si allontanino dalle zone con maggior concentrazione di protoni e decadano in seguito in antiprotoni. Questo processo è analogo al decadimento di un neutrone in un protone, il così detto “decadimento beta“. In questo modo si vengono a creare degli anti-protoni abbastanza distanti dai normali protoni, tanto da poter sopravvivere diverse ore.

L’esperimento PAMELA ha raccolto dati per 850 giorni e, in questo periodo, ha selezionato antiprotoni presenti nella South Atlantic Anomaly, isolandone ben 28. Ventotto antiprotoni sembrano un niente, ma se si tiene conto della densità di antimateria media nella nostra Galassia, ecco che invece diventano una quantità enorme! Infatti 28 antiprotoni nella SAA corrispondono a mille volte la densità media di antimateria nella Galassia.

Il valore scientifico di questa scoperta, oltre a farci comprendere maggiormente la struttura della magnetosfera terrestre e i fenomeni fisici che vi hanno luogo, può aprirci le porte a futuri sbocchi scientifici e fantascientifici. Per creare così tanta antimateria in laboratorio, infatti, sarebbero necessari anni e anni. Non è inoltre irragionevole pensare che vi sia un deposito di antimateria anche in zone più alte dell’atmosfera, non raggiunte da PAMELA. Questo ci potrebbe mettere a disposizione una sorgente di antimateria pronta per essere studiata e compresa, se solo riuscissimo a trovare il modo di raccoglierla. Volendo passare alla fantascienza, o magari diciamo solo a una speranza futura, una trappola per antimateria di questo genere si rivelerebbe estremamente utile nel momento in cui motori a propulsione di antimateria diventassero fattibili…

26 Commenti »

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  • # 1
    Simone Mannori
     scrive: 

    Complimenti per l’articolo :-)

    In particolare, il documento

    http://www.centauri-dreams.org/wp-content/Bickford_Phase_II.pdf

    e’ semplicemente impressionante: merita decisamente lo sforzo necessario per leggerlo…

    Ricambio con un’altra perla sulla falsariga “se solo riuscissimo a metterlo nella scatola” … :-)
    http://www.jp-petit.org/Site_Anglais/Z_machine/Z_machine.htm

    Simone

  • # 2
    Francesco
     scrive: 

    Interessante, ma magari FASCE e non fascIe…

  • # 3
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    Caspita, scusate lo strafalcione, hai ragione, ora correggo.

  • # 4
    Ominaru
     scrive: 

    La butto sul ridere ;-)

    Magari e’ per quello che ci sono tanti avvistamenti di alieni e gli ufo perche’ avendo piu’ antimateria rispetto alla media della galassia siamo come una sorta di pompa di benzina dello spazio ;-)

    E’ una battuta!

  • # 5
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    Beh, il fatto è che non è solo la Terra ad avere questa caratteristica. Ogni pianeta con un campo magnetico simile a quello terrestre, e magari ancora più intenso, avrà questa abbondanza di antimateria, probabilmente anche di più! :-)

  • # 6
    Antonio Barba
     scrive: 

    Da quello che leggo, si capisce come l’antimateria “naturale” sia di recentissima formazione, quindi la ricerca sull’antimateria “primordiale” e del perchè ci sia stata la famosa asimmetria rimangono sostanzialmente intoccate da questa scoperta. Giusto?

    Tuttavia, per scoprire qualcosa di più su questa asimmetria è utile avere dell’antimateria su cui fare esperimenti e misurazioni, quindi la scoperta di questa “fonte” di antiprotoni potrebbe aiutare in modo collaterale la ricerca.

    Ovviamente la cosa resta puramente teorica, perchè per essere fattibile bisognerebbe appunto immagazzinarla oppure andrebbe analizzata sul posto direttamente in orbita, e non è per niente semplice…

  • # 7
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    @Antonio,
    si, è proprio come dici tu. Questa antimateria non c’entra con l’abbondanza assoluta di materia/antimateria, però può essere utile per comprenderne le proprietà.
    Resta il fatto che particelle leggere di antimateria, come positroni o anti-protoni, non sono particelle molto esotiche, ma la vera scoperta sarebbe osservare un anti-nucleo!

  • # 8
    Antonio Barba
     scrive: 

    Scusa la domanda un po’ banale… ma la difficoltà nel creare anti-idrogeni (antiprotone + positrone) in cosa consiste esattamente?
    Si tratta della somma degli sforzi per produrre N antiprotoni + N positroni, oppure ci sono ulteriori difficoltà nel mescolare queste particelle?

    Una volta mescolate, dovrebbe essere molto semplice la combinazione.

    Se infatti funziona come la materia ordinaria, dove gli ioni H+ “sbranano” tutti gli elettroni che trovano (da cui deriva la corrosività degli acidi forti), gli eventuali ioni AntiH- dovrebbero ugualmente legari al primo positrone che gli capita a tiro.

    Illuminaci, perchè ci sono molti passaggi un po’ oscuri per i non addetti ai lavori :-)

    Altra cosa: un campo elettromagnetico a forma di toro potrebbe essere utilizzato per mantenere in orbita gli antiprotoni, come accade per il gas-plasma fortemente ionizzato?

  • # 9
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    La difficoltà nel creare atomi di antimateria è mantenerli, quando siamo sulla Terra, e avere degli “anti-laboratori” nell’Universo.
    Ci sono esperimenti che creano anti-nuclei, come per esempio racconto in questo post:
    http://www.appuntidigitali.it/13520/isolati-38-atomi-di-antimateria-al-cern/
    Però è molto difficili renderli stabili, perché devono rimanere distanti da qualsiasi forma di materia che, ovviamente, li circonda.
    Nello spazio inoltre, i nuclei vengono creati dalle stelle, che fondono assieme protoni, neutroni e nuclei leggeri per creare nuclei più pesanti. Ma se non esiste una anti-stella, fatta completamente di antimateria, non c’è modo di creare anti-nuclei.

    Le particelle di antimateria subiscono la forza elettromagnetica proprio come la materia ordinaria, per cui i campi magnetici possono essere usati per gestirla. Però, come dicevo, la difficoltà è isolarla.

  • # 10
    Antonio Barba
     scrive: 

    capisco… il problema si sposta quindi sulla difficoltà tecnica di creare un “vuoto spinto perfetto”. Pensandoci bene, infatti, non basta avere un dispositivo di contenimento magnetico, ma questo dispositivo dovrebbe agire su un contenitore con esattamente 0 particelle di gas al suo interno.

  • # 11
    Claudio
     scrive: 

    Articolo veramente interessante
    Mi viene da pensare che se il processo è innescato dal campo magnetico terrestre, che in qualche modo “intrappola” gli antiprotoni, cosa accade su copri celesti più “massivi” (Giove/Saturno) o simili alla terra ma più esposti alla radiazione solare che forse aiuta il fenomeno (Venere)? E attorno al Sole stesso? Che campo magnetico enorme genererà il Sole?

    Certo avere a disposizione grandi quantità di antimateria sarebbe una sorgente energetica “favolosa”! E, come riportato in un precedente post, se delle sonde potessero in qualche modo “rifornirsi” potrebbe autoalimentarsi e spostarsi di pianeta in pianeta senza difficoltà.

  • # 12
    Antonio Barba
     scrive: 

    O magari i motori ad antimateria resteranno nella fantascienza :D

    “Tesoro, vado a comprare mezzo chilo di antibenzina per l’astronave” “nooo, si è scaricata la batteria del contenitore magnet…. BOOOM!”

  • # 13
    marco
     scrive: 

    una curiosità… in termini comprensibili quanta energia si sprigiona dall’annichilimento di un protone con un anti-protone… in termini umani; quella contenuta in 100 litri di benzina… quella contenuta in 100gr di combustibile nucleare…

  • # 14
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    Per la conservazione dell’energia, il fotone sprigionato ha un’energia pari alla massa di protone e antiprotone, cioè, circa 3×10^(-10) Joule. Questo è decine e decine di ordini di grandezza inferiore a quello che speravi tu…. :P
    Servirebbero più di 10^(22) protoni e antiprotoni per avere qualcosa di più vicino ai 100g di combustibile nucleare. Come dire che rispetto alle quantità in questione (28 antiprotoni) siamo distanti anni luce rispetto alla possibilità di usarli come combustibile.

  • # 15
    Alessio F
     scrive: 

    Si però l’energia sprigionata da AM+M è molto maggiore della nucleare, giusto per capire quei 10^22 antiprotoni quanto pesano?

    Però mi sembra che trovare antiprotoni non è come trovare antimateria propriamente detta. L’orfine di complessità potrebbe essere questo?
    Positroni
    Antiprotoni
    antinuclei
    Antiatomi.

    Giusto?

    Stavo riflettendo sulle mine Anti-Uomo in termini puramente semantici….

  • # 16
    Antonio Barba
     scrive: 

    @Alessio F: considera che 6 x 10^23 protoni (o antiprotoni, tanto è lo stesso) pesano circa 1 grammo, quindi 10^22 protoni pesano 60 volte meno.

  • # 17
    marco
     scrive: 

    ho fatto quella domanda per riportare tutti (me compreso) coi piedi per terra, prima di fantasticare su fantasmagorici motori ad antimateria (leggi nucleo a curvatura per gli appassionati di StarTrek) ricordiamoci l’energia che si sprigiona è si di diversi ordini di grandezza superiore a quella che si ottiene dalle reazioni nucleari controllate (a parità di massa del combustibile) ma:
    1. Non così tanto se consideriamo che l’antimateria non possiamo ne’ fabbricarla ne’ trovarla in forme complesse (atomi ordinati a formare cristalli o materia ad un qualunque stato meno ordinato del cristallo)
    2. Se trovassimo il modo di usarla come la conosciamo allo stato attuale ovvero sotto di particelle sub-atomiche al massimo di atomi (ammesso e concesso che troviamo un modo per produrli e stoccarli) l’energia che se ne ricava è irrisoria o poco più a confronto di quella che si ricava da una reazione nucleare a catena.

  • # 18
    velvetdark
     scrive: 

    solite speculazioni…

    Scienza non è fantascienza, fantasticare sul possibile non significa ignorare la realtà.

    diverse incongruenze…

    1) l’antimateria esiste in quantità pari alla materia nell’universo. Per una legge di simmetria. Che non ve ne sia tanta in questa galassia è ancora oggetto di dibattito.
    2) l’antimateria si produce tranquillamente, a costi ed energie elevatissime, negli acceleratori si riesce a isolare antidrogeno nell’ordine di alcuni microgrammi/anno, ma sicuramente più di 28 atomi.
    3) produrre antimateria è relativamente semplice potete farvela anche in casa. Prendete un tubo catodico di un televisore produce scariche di elettroni, sparatele contro una lastra di piombo e un po di questi invertiranno il loro spin e diventeranno antielettroni per qualche nanosecondo (detta un po alla “bruta” ma è così)… ecco fatto la vostra antimateria.
    4) qualche atomo di antiprotoni nell’atmosfera serve a chiarire i meccanismi di funzionamento del campo magnetico e mette luce sulla complessità della fascia di Van Allen. Non centra niente con speculazioni su materia, densità dell’universo ecc… A questo punto diciamo anche che in una stella c’è più idrogeno che in tutto il sistema solare… questo non significa che la stella è una cosa eccezionale e anomala, densità relativa e statistiche sono cose che vanno discusse con cognizione di causa.
    5) Motori a curvatura? Non riusciamo a far funzionare un frigorifero per più di 20 anni senza un problema, come possiamo speculare tanto su cose così complesse e lontane anni luce da noi? In ogni caso l’energia di anichilimento non sarebbe una cosa controllabile come una spinta a propulsione si tratta pur sempre di una reazione atomica di esplosione.

    va beh… viva la fantasia

  • # 19
    Nessuno
     scrive: 

    In ogni caso l’energia di anichilimento non sarebbe una cosa controllabile come una spinta a propulsione si tratta pur sempre di una reazione atomica di esplosione.

    Be’, questo dipende da come ottieni la reazione. Se butto 100Kg di antimateria sopra 100Kg di materia probabilmente ottieni una bel botto. Ma se usassi (o potessi usare) un sistema a iniezione controllata in una camera di reazione allora puoi decidere la densità media di energia prodotta e quindi sfruttarla. Visto che si ipotizza la possibilità di contenere l’antimateria in qualche modo è altrettanto valido ipotizzare di poterla controllare.
    Il problema che nessuno si pone è che, indipendentemente dalla quantità di energia che si riesce a produrre, oggi noi siamo in grado di convertire solo quella termica. Le centrali nucleari a fissione ancora hanno le turbine a vapore. Non si è ancora sviluppata la capacità di sfruttare l’energia prodotta in maniera diretta senza passare ad una conversione meccanica della stessa.
    Ciò vuol dire che anche con tutta l’antimateria a disposizione non riusciremmo a far muovere una navicella con la tecnologia a disposizione oggi. Oltre alla ricerca dell’antimateria magari sarebbe utile trovare un modo per sfruttarla in maniera efficiente.

  • # 20
    Cesare Di Mauro
     scrive: 

    Aggiungiamo pure che la simmetria esiste soltanto a livello qualitativo(esistenza di particelle e loro anti-particelle), ma non quantitativo (ma non si sa ancora bene perché la natura “preferisca” la materia all’antimateria).

  • # 21
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    @velvetdark

    Hai letto i miei articoli precedenti su questo argomento?

    In ogni caso, che ci sia tanta antimateria nella nostra Galassia non è veramente oggetto di dibattito. I limiti che sono stati posti con l’osservazione di radiazione gamma sono molto restrittivi, e non ci sono tracce di antimateria in forma considerevole almeno una regione con un raggio di 20 Mpc attorno a noi.

    Inoltre, non è che si possono fare molti più nuclei di antimateria sulla Terra, anche negli acceleratori. Chiedilo ai ricercatori dell’esperimento Alpha al Cern…. qualcuno in più, è vero: 38 invece di 28 (di anti-alpha però). Anche generandoli, comunque, non li faranno di certo sopravvivere per ore, come avviene invece nell’atmosfera.

  • # 22
    Nat
     scrive: 

    Domanda da niubbo:
    Ma le particelle di antimateria si combinano tra loro attraverso legami allo stesso modo della materia?
    Intendo: e’ possibile che si formino delle molecole complesse di antimateria?

  • # 23
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    Nat,
    si, i legami sono gli stessi. Il problema è avere abbastanza antimateria isolata da poter formare nuclei, figuriamoci molecole…. ma in teoria, se ci fosse una zona dell’universo in cui vi è solo antimateria in abbondanza, ci possono essere molecole, stelle e pianeti come quelli di materia ordinaria.

  • # 24
    marco
     scrive: 

    da profano il mio parere è che l’antimateria come fonte energetica non è alla nostra portata neanche nel lungo periodo (nell’ordine delle centinaia di anni ma come si fa a fare previsioni del genere?). Per la propulsione spaziale che permetta di avvicinarsi a frazioni della velocità della luce, a buon mercato e di “facile” realizzazione vedo molto promettente l’accoppiata vela solare+motore ionico, se non altro sono tecnologie conosciute che hanno a mio avviso un ampio margine di miglioramento.

  • # 25
    Malkavo
     scrive: 

    Scusate l’OT
    Sono al cren per una settimana come visitatore e ci hanno appena detto che essendo in manutenzione potremmo vedere cose normalmente chiuse al pubblico, non vedo l’ora!

  • # 26
    mikahel369
     scrive: 

    “Considerando la densita’ di antimeteria nella galassia!”
    Ma chi e’ andato a misurarla cm x cm?
    Ovviamente se la risposta e’ “do dice il campionamento statistico” o il “calcolo delle probabilita'”, allora qualcuno dovrebbe spiegarmi su che dimensione di numeri la statistica si basa…

    certe affermazioni mettono in crisi un po tutto il resto, non trovi?
    Meglio attenersi al certo… e ce ne e’ poco.

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