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Giù ! L’antimateria va giù ! Viene rivelato l’effetto della gravità sullo sfuggente gemello della materia

^{Uno storico esperimento del CERN risponde all’annosa domanda se l’antimateria e la materia siano attratte o respinte gravitazionalmente}

Se lasciassi cadere dell’antimateria, cadrebbe verso il basso o verso l’alto? Gli scienziati ora conoscono la risposta definitiva: giù. Cioè, se riesci in qualche modo a impedire che esploda in pura energia abbastanza a lungo da vedere dove va.

Un articolo scientifico che descrive l’esperimento fondamentale alla base di questa conclusione è stato pubblicato oggi sulla rivista  Nature e proviene dalla collaborazione internazionale Antiidrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA) presso l’Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) in Svizzera. L’esclusivo e scrupoloso esperimento della collaborazione ALPHA ha risposto alla domanda fondamentale di vecchia data sul fatto se l’antimateria sia attratta o respinta gravitazionalmente dalla materia regolare, osservando il percorso verso il basso intrapreso dai singoli atomi di antiidrogeno. Il loro lavoro fornisce anche un tassello chiave in uno dei più immensi enigmi irrisolti della scienza: perché c’è così poca antimateria nell’universo osservabile?

La collaborazione ALPHA del CERN è supportata da più di una dozzina di paesi e istituzioni private, compresi gli Stati Uniti attraverso il programma congiunto US National Science Foundation/Department of Energy Partnership in Basic Plasma Science and Engineering.

“La teoria della relatività generale di Einstein afferma che l’antimateria dovrebbe comportarsi esattamente allo stesso modo della materia”, afferma Jonathan Wurtele, fisico del plasma dell’Università della California, Berkeley e membro della collaborazione ALPHA. “Molte misurazioni indirette indicano che la gravità interagisce con l’antimateria come previsto, ma fino al risultato di oggi, nessuno aveva effettivamente eseguito un’osservazione diretta che potesse escludere, ad esempio, che l’antiidrogeno si muova verso l’alto anziché verso il basso in un campo gravitazionale.”

Il gemello sfuggente e volatile della materia

Al di là dei motori a curvatura immaginari alimentati dall’antimateria e dei siluri fotonici di “Star Trek”, l’antimateria è completamente reale ma misteriosamente scarsa. I nostri corpi, la Terra e quasi tutto ciò che gli scienziati conoscono nell’universo sono costituiti in gran parte da ciò che gli scienziati chiamano materia barionica. Si tratta di materiale composto principalmente da protoni e neutroni normali, come ossigeno, carbonio, ferro e altri elementi familiari della tavola periodica.

L’antimateria, d’altra parte, è la gemella della materia normale, tranne per il fatto che ha alcune proprietà opposte a seconda del particolare tipo di particella. Ad esempio, gli antiprotoni hanno una carica negativa mentre i protoni hanno una carica positiva. Allo stesso modo, gli antielettroni (noti anche come positroni) sono positivi.

L’antimateria ha anche un’altra proprietà che rende particolarmente difficile lavorare con:

“Non appena l’antimateria tocca la materia, esplode”, afferma Joel Fajans, membro della collaborazione ALPHA e fisico del plasma dell’UC Berkeley. La massa combinata di materia e antimateria viene trasformata interamente in energia in una reazione così energica che “l’esplosione” non le rende giustizia.

Gli scienziati lo chiamano “annientamento”.

“Per una data massa, tali annichilazioni rappresentano la forma più densa di rilascio di energia che conosciamo”, afferma Fajans.

Ma non preoccuparti. La quantità di antimateria utilizzata nell’esperimento ALPHA è così piccola che l’energia creata dalle annichilazioni antimateria/materia è impercettibile per gli esseri umani. Invece, devono essere utilizzati rilevatori altamente sensibili. “Tuttavia dobbiamo manipolare l’antimateria con molta attenzione altrimenti la perderemo”, dice Fajans.

Lanciare un pezzo forte di antimateria

In preparazione da quasi due decenni, il tentacolare esperimento ALPHA risiede in un edificio etichettato come “Fabbrica di Antimateria” fuori Ginevra, dove l’antiidrogeno viene creato da zero combinando antiprotoni e positroni in un processo labirintico. Gli antiprotoni vengono creati e forniti all’esperimento ALPHA dal complesso dell’acceleratore di particelle del CERN. I positroni vengono acquisiti da un isotopo radioattivo artificiale del sodio che li emette. Entrambe le antiparticelle vengono raffreddate quasi a temperatura ambiente e formano plasmi, il quarto stato della materia (gli altri tre sono solido, liquido e gassoso).

I plasmi di antiprotoni e positroni vengono quindi instradati in una camera verticale chiamata ALPHA-g, dove verrà infine eseguito l’esperimento sulla gravità.

“La stragrande maggioranza del tempo sperimentale viene dedicato alle manipolazioni del plasma per portare questi plasmi antiparticellari nella forma e nella temperatura di cui abbiamo bisogno”, afferma Fajans. “Dobbiamo raffreddarli a circa 10 gradi Kelvin – ovvero 10 gradi sopra lo zero assoluto – e dobbiamo modellarli in forme aghiformi.”

“I plasma sono normalmente la forma più calda della materia”, spiega Wurtele. “Ma dobbiamo raffreddarli a temperature alle quali quasi tutto sarebbe normalmente solido o liquido.”

Una volta raggiunte le condizioni adeguate, i plasmi vengono miscelati insieme con estrema precisione all’interno della camera ALPHA-g per creare i preziosi atomi di antiidrogeno.

“In generale, stiamo creando antimateria e stiamo facendo una specie di esperimento sulla Torre di Pisa”, dice Wurtele, riferendosi all’antenato intellettuale un po’ più semplice di ALPHA-g, il leggendario (e forse apocrifo) esperimento di Galileo del XVI secolo che dimostrava l’identico accelerazione gravitazionale di due oggetti lasciati cadere simultaneamente di volume simile ma massa diversa.

“Stiamo lasciando andare l’antimateria e vediamo se sale o scende.”

L’antiidrogeno è contenuto nella camera a vuoto cilindrica di ALPHA-g utilizzando una trappola magnetica variabile, che impedisce all’antimateria di toccare le pareti della camera e annichilarsi. Gli scienziati riducono l’intensità dei campi magnetici superiori e inferiori della trappola fino a quando gli atomi di antiidrogeno possono fuoriuscire e l’influenza relativamente debole della gravità diventa evidente. Quando ogni atomo di antiidrogeno sfugge alla trappola magnetica, tocca le pareti della camera sopra o sotto la trappola e si annichila, cosa che gli scienziati possono rilevare e contare.

I ricercatori hanno ripetuto l’esperimento più di una dozzina di volte, variando ogni volta l’intensità del campo magnetico della parte superiore e inferiore della trappola per escludere possibili errori. Hanno osservato che quando i campi magnetici indeboliti erano esattamente bilanciati nella parte superiore e inferiore, circa l’80% degli atomi di antiidrogeno si annichilavano sotto la trappola, un risultato coerente con il modo in cui si comporterebbe una nuvola di idrogeno normale nelle stesse condizioni.

Pertanto, la gravità stava facendo cadere l’antiidrogeno.

“In precedenza, ci sono state molte osservazioni indirette che suggeriscono fortemente che l’antimateria gravita normalmente”, afferma Fajans. “Ma nessuna di queste osservazioni era così incontrovertibile come seguire le traiettorie dell’antimateria sotto l’influenza della gravità; si basavano tutte su fenomeni molto più sottili.”

Il mistero materia/antimateria

Come probabilmente avrai notato, non ci sono persone antimateria che vanno in giro e si annientano in colossali esplosioni. Infatti, nonostante alcune fonti molto modeste di antimateria – come i positroni naturali emessi dal potassio, compresi quelli contenuti nelle banane – non vediamo molta antimateria da nessuna parte nell’universo. Ciò è contrario alle leggi della fisica, che prevedono che l’antimateria dovrebbe esistere in misura più o meno uguale alla materia normale.

“Per la maggior parte, viviamo in un universo di materia. E una grande domanda è ‘perché?'”, afferma Tim Tharp, membro della collaborazione ALPHA e fisico del plasma presso la Marquette University. “Non c’è molta antimateria in giro, e non capiamo davvero perché l’universo abbia sviluppato questa preferenza.”

Gli scienziati chiamano questo enigma il problema della bariogenesi. Una potenziale spiegazione per la scarsità di antimateria è che sia stata respinta gravitazionalmente dalla materia regolare durante il Big Bang, facendola proiettare verso una parte distante dell’universo che non possiamo vedere. Quella teoria non sembra più plausibile.

“Abbiamo escluso che l’antimateria venga respinta dalla forza gravitazionale anziché attratta, ma ciò non significa che non ci sia una differenza nella forza gravitazionale sull’antimateria che non sia stata ancora misurata”, afferma Wurtele. La forza di gravità sull’antimateria può essere più debole o più forte di quella della materia normale, il che richiede una misurazione più precisa per essere determinata.

“Il successo della collaborazione ALPHA è una testimonianza dell’importanza del lavoro di squadra tra continenti e comunità scientifiche”, afferma Vyacheslav “Slava” Lukin, direttore del programma nella Divisione di Fisica della NSF. “Comprendere la natura dell’antimateria può aiutarci non solo a capire come è nato il nostro universo, ma può consentire nuove innovazioni mai ritenute possibili prima d’ora, come la tomografia a emissione di positroni, che ha salvato molte vite applicando la nostra conoscenza dell’antimateria per rilevare tumori cancerosi nell’universo.” il corpo.”

I ricercatori della collaborazione ALPHA continueranno a sondare la natura dell’antiidrogeno alla ricerca di qualche aspetto contrario. Oltre a perfezionare la misurazione dell’effetto della gravità, stanno anche studiando come l’antiidrogeno interagisce con la radiazione elettromagnetica attraverso la spettroscopia.

“Se l’antiidrogeno fosse in qualche modo diverso dall’idrogeno, sarebbe una cosa rivoluzionaria perché le leggi fisiche, sia nella meccanica quantistica che nella gravità, dicono che il comportamento dovrebbe essere lo stesso”, dice Wurtele.

“Tuttavia, non lo si sa finché non si fa l’esperimento.”

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