L’esperimento Alpha che si trova all'Antiproton Decelerator del Cern ha osservato per la prima volta la struttura iperfine dell’anti-idrogeno, il corrispettivo di antimateria dell'idrogeno: il risultato è pubblicato sulla rivista Nature. Lo studio è una delle prime applicazioni all'antimateria della spettroscopia, che consiste nel misurare la struttura interna degli atomi sfruttando la loro interazione con la radiazione elettromagnetica. Si tratta della misura di una energia caratteristica dello spettro iperfine dell'anti-idrogeno ottenuta osservando il comportamento degli atomi di anti-idrogeno quando vengono irraggiati con microonde.

Questi atomi sono stati prodotti artificialmente all'Antiproton Decelerator dall'esperimento Alpha, e confinati grazie a intensi campi magnetici per poterli studiare. “Per capire se un anti-atomo si comporta come un atomo, l'energia misurata viene confrontata con l'analoga proprietà dello spettro dell'idrogeno, che è nota con grande precisione. In questo caso, entro i limiti di precisione di questa misura, non sono state osservate differenze significative tra i due spettri. Un risultato senz’altro entusiasmante!” commenta Simone Stracka , ricercatore associato Infn. [Eleonora Cossi]

Foto: Maximilien Brice/CERN

[as] news

Il cacciatore di antimateria novembre 2011

Il 16 maggio alle ore 14:56, assieme allo shuttle Endeavour, dal Kennedy Space Center di Cape Canaveral ha lasciato la Terra il rivelatore di particelle Ams (Alpha Magnetic Spectrometer), che dopo pochi giorni è stato collocato dagli astronauti sulla Stazione Spaziale Internazionale (Iss). Realizzato con il fondamentale contributo del mondo della ricerca italiano, grazie all'Infn e all'Asi, il "cacciatore di antimateria" Ams inizia così la sua missione scientifica, come primo esperimento di "big science" a operare sulla Iss. La missione di Ams è studiare nuclei di antimateria (vd. Asimmetrie n. 7, "Antimateria", ottobre 2008, ndr), ad esempio l'anti-elio, a cui stanno dando la caccia da tempo scienziati di tutto il mondo, con esperimenti sia in orbita sia nei luoghi più estremi del nostro pianeta. La loro scoperta potrebbe suggerire l'esistenza di antistelle e antigalassie o svelarci la natura della materia oscura. Ams continuerà a operare per almeno 10 anni, raccogliendo dati e inviando a terra un'enorme quantità di informazioni veicolate da 300 mila canali di elettronica. Questi dati, che complessivamente ammonteranno a circa 100 terabyte di memoria, saranno gestiti da grandi centri di calcolo anche in Italia, per poi essere studiati dai ricercatori della collaborazione. [C.P.]

Neutrini in 3D sotto il Gran Sasso novembre 2011

È stato inaugurato ufficialmente lo scorso 29 marzo ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso l'esperimento Icarus, progettato dal premio Nobel Carlo Rubbia. L'esperimento era entrato gradualmente in funzione già dal 2010, catturando le tracce dei rari raggi cosmici che raggiungono le profondità del laboratorio, ma soprattutto gli eventi delle interazioni dei neutrini del fascio proveniente dal Cern. Icarus, infatti, punta a studiare l'oscillazione dei neutrini, ma anche a osservare i neutrini cosmici e quelli solari e il decadimento del protone, fenomeno mai finora osservato e inseguito dai fisici di tutto il mondo. Ciò che lo rende unico è la tecnologia innovativa del suo rivelatore. Un grande rivelatore a fili, immerso in 600 tonnellate di argon liquido, che registra il passaggio delle particelle grazie alle cariche elettriche rilasciate lungo il loro percorso dal processo di ionizzazione dell'argon. Icarus riesce in questo modo a ricostruire tracce di particelle in 3 dimensioni, replicando su un grande volume la risoluzione spaziale ed energetica delle vecchie camere a bolle, ma con una velocità estremamente maggiore. Lo si può considerare a pieno titolo il capostipite – per ora unico al mondo – di una nuova serie di apparati di rivelazione sempre più evoluti. [V.N.]

Più veloce dell'impossibile novembre 2011

I ricercatori dell'esperimento Opera – che studia i neutrini inviati dal Cern di Ginevra ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell'Infn – hanno dovuto chinare la testa di fronte all'evidenza. Dopo 730 km percorsi attraverso la crosta terrestre i neutrini si sarebbero infatti presentati all'arrivo con 60 nanosecondi di anticipo sul tempo che avrebbe impiegato la luce a percorrere la stessa distanza nel vuoto, un risultato che potrebbe far crollare uno dei pilastri della fisica moderna: nessuna particella può superare la velocità della luce. Grande precisione è stata usata per la misura del "via" ai neutrini dal Cern e del tempo di arrivo al Gran Sasso, e la distanza che separa i due laboratori è stata misurata con grande accuratezza, tenendo sotto controllo i movimenti della crosta terrestre lungo la traiettoria dei neutrini nei tre anni dell'esperimento. L'atteggiamento dei ricercatori di Opera è di estrema prudenza e di massima apertura al confronto con futuri risultati di esperimenti dello stesso tipo, come l'americano Minos o il giapponese T2K. [F.S.]

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[as] news

Segnali dall’antimateria Giugno 2009 Pamela (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light - nuclei Astrophysics), il satellite internazionale coordinato dai ricercatori dell’Infn, ha recentemente osservato importanti segnali di antimateria in una regione vicina alla nostra galassia. La scoperta, pubblicata su Nature il 2 aprile scorso, ha importanti implicazioni anche sulle possibili spiegazioni della materia oscura, l’ignota forma di materia che compone più di un quinto di tutto il nostro Universo. Da circa tre anni Pamela orbita intorno alla Terra a un’altezza compresa tra 350 e 600 chilometri: cerca l’antimateria nei raggi cosmici, le particelle accelerate a velocità vicine a quella della luce in seguito a fenomeni violenti nel Cosmo, come le esplosioni di supernovae. Sono soprattutto protoni e nuclei di atomi, ma vi si trovano anche particelle di antimateria e in particolare antiprotoni e antielettroni (positroni). I risultati pubblicati su Nature evidenziano un’anomalia nel rapporto tra il numero di positroni e di elettroni rivelati: un’abbondanza di positroni che trova una possibile spiegazione in segnali di materia oscura, anche se non si possono escludere per ora contributi dovuti alla presenza di buchi neri e pulsar. L’ipotesi sostenuta dal team internazionale che analizza quotidianamente i dati inviati da Pamela sulla Terra è che le particelle di materia oscura siano presenti nella nostra galassia perché attratte dalla forza di gravità. Annichilandosi, produrrebbero sciami di particelle secondarie di alta energia e, in particolare, le particelle di antimateria che Pamela sta rivelando. [F.S.] WWW Giugno 2009 L’acronimo di tre lettere che digitiamo prima di (quasi) ogni indirizzo in Internet, ha compiuto 20 anni. Era il 13 marzo del 1989 quando T. J. Berners-Lee, fisico inglese in forza al Cern di Ginevra, presentò per la prima volta ai suoi responsabili un documento destinato a dar vita a una nuova era nell’industria e nella società globale. “Vago, ma interessante”, fu il commento di uno dei responsabili. In quel periodo al Cern lavoravano migliaia di scienziati da tutto il mondo, ognuno con il suo computer, la sua lingua e il suo sistema operativo. Il Lep era nel vivo della sua attività e i fisici avevano la forte esigenza di scambiarsi i dati da analizzare, cioè di comunicare senza dover conoscere gli indirizzi “tecnici” del computer di ciascun collega. Ed ecco che T. J. Berners-Lee ideò il progetto intitolato Gestione dei dati: una proposta, che gettò le basi per il world wide web, quell’alfabeto universale che tutti i computer connessi nel mondo oggi utilizzano continuamente. Il futuro della rete di oggi, invece, si chiama Grid: quando l’acceleratore Lhc sarà in fase di presa dati, più di 200 centri di calcolo in 33 paesi connessi dalla fibra ottica analizzeranno qualcosa come 20 milioni di gigabyte l’anno. [C.P.] SuperBeam Giugno 2009 Un’innovativa metodologia sviluppata ai Laboratori Nazionali di Frascati ha permesso di migliorare notevolmente l’efficienza delle collisioni tra particelle negli acceleratori aumentandone la luminosità, il parametro fondamentale che determina il numero degli urti. Grazie alla tecnica sviluppata dal gruppo guidato da Pantaleo Raimondi, l’acceleratore Dafne di Frascati è oggi, tra le macchine che lavorano nella stessa regione d’energia, quella di più alta luminosità al mondo. La nuova metodologia rende possibile anche gli studi per lo sviluppo di un innovativo acceleratore italiano, la SuperB: una potente B-factory (fabbrica di particelle B) con una luminosità fino a 100 volte superiore rispetto alle due esistenti nel mondo, in California e in Giappone. Nella SuperB saranno fatti scontrare fasci di elettroni e positroni, con l’obiettivo di produrre grandi quantità di mesoni B (particelle formate da due quark, dei quali uno di tipo b, bottom) e studiarne i modi di decadimento molto rari. Gli esperimenti permetteranno di studiare, tra gli altri, il fenomeno noto come violazione della simmetria CP, secondo il quale non può esistere un mondo, immagine allo specchio del nostro, nel quale le particelle siano sostituite dalle loro antiparticelle, manifestando così la capacità della natura di distinguere tra materia e antimateria. Lo scorso dicembre l’Infn ha approvato l’inizio della fase di studio di fattibilità di SuperB, i cui risultati sono previsti entro i prossimi due anni. [F.S.] Per approfondimenti su materia oscura e antimateria si vedano rispettivamente i numeri 4 e 7 di Asimmetrie. [scarica pdf]

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[as] radici
L'equazione di Dirac.
di Enrico Bellone, direttore de Le Scienze

a.
Dirac alla lavagna, nei primi anni ’30 dello scorso secolo.

Siamo alla fine del 1927 e la comunità dei fisici ha molti problemi da risolvere. Uno di questi riguarda una proprietà enigmatica dell’elettrone che è stata battezzata con il nome spin e che consiste nella presenza di due numeri quantici, pari a + ½ e – ½. In termini di senso comune, l’elettrone si comporta come se potesse ruotare intorno a un asse in un senso e in quello opposto: un modo intuitivo di descrivere il fatto per cui questa particella ha lo spin. Ma l’intuizione non è un buon argomento. Essa permette certamente di costruire un modello di elettrone, presumendo che la particella abbia una forma geometrica tale da consentire rotazioni attorno a qualcosa. Altrettanto certamente, però, una teoria sull’elettrone non può partire da un modello di questo genere. Deve essere una teoria matematica, e su questo c’è un ampio consenso. Il giovane Paul A.M. Dirac ha, in generale, una posizione molto precisa: dobbiamo usare tutte le potenzialità della “matematica pura” con lo scopo di generalizzare la base formale della fisica teorica, e solo dopo possiamo tradurre i risultati matematici in un linguaggio che parla di “entità fisiche”. Quale entità fisica è allora in gioco? Nel caso dell’elettrone, la modellistica suggerisce che esso sia un oggetto corporeo e quindi dotato di dimensioni. Ma, come osserva Dirac nel 1928, non è affatto chiaro il motivo per cui “la Natura dovrebbe aver scelto questa particolare struttura per l’elettrone, invece di essere soddisfatta della carica puntiforme”. La vera questione sta invece nella necessità di superare “l’incompletezza delle precedenti teorie” e di sviluppare un sistema matematico che soddisfi sia i requisiti della teoria della relatività, sia quelli della teoria dei quanti. Il superamento si realizza con un capolavoro, intitolato The Quantum Theory of the Electron, che Dirac pubblica appunto nel 1928.
È impossibile descrivere questo capolavoro senza ricorrere all’armamentario della matematica. In linea di massima, si può comunque ricordare che Dirac riprende certe matrici già impiegate da Wolfgang E. Pauli, in contesto quantistico, per esprimere certe proprietà dello spin. Quelle matrici, ora, devono per Dirac rispettare anche le clausole relativistiche sulle simmetrie fra spazio e tempo. Le matrici di Pauli erano a due righe e due colonne, quelle di Dirac sono a quattro righe e quattro colonne. Fatta questa operazione, altri passi puramente algoritmici sfociano necessariamente in una nuova equazione generale per l’elettrone. Per valutare lo spin era allora indispensabile esplicitare il comportamento dell’elettrone in un campo elettromagnetico. Un comportamento matematico, s’intende. Che culminava in un successo e in un nuovo enigma. Il successo stava nella deducibilità dello spin da un punto di vista puramente teorico. L’enigma era inatteso e riguardava proprio le soluzioni matematiche dell’equazione di Dirac. Esse infatti formavano una famiglia che, inaspettatamente, era formata da due sottofamiglie di pari entità. Solo una era tuttavia da prendere in considerazione: l’altra “metà delle soluzioni deve essere scartata in quanto si riferisce alla carica + e”. E dovrebbe essere scartata perché nessuno ha mai osservato in Natura un elettrone con carica positiva.
Ma l’operazione di rigetto non era comunque ammissibile nella cornice della teoria quantistica. Quest’ultima non poteva infatti scartare a priori eventi connessi alla “altra metà” delle soluzioni e che implicavano la possibilità di salti quantici tra livelli energetici descrivibili come positivi o negativi. In un primo momento, quindi, parve giusto a Dirac sostenere che la sua teoria fosse da valutare come una “approssimazione”. Le carenze stavano tutte quante nella base empirica. La teoria di Dirac aveva in realtà scoperto il positrone, ma dovevano trascorrere alcuni anni prima che Carl D. Anderson, e soprattutto Patrick M. Blackett e Giuseppe Occhialini, nel 1933 scovassero le prove sperimentali di quella “approssimazione”. Nell’intervallo fra il 1928 e il 1933 molti furono i tentativi di fornire una interpretazione accettabile delle previsioni fatte da Dirac. Per tutti noi, ad ogni modo, quell’articolo di Dirac rimane come uno dei punti più alti della storia della cultura umana.

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A caccia di asimmetrie
Grandi esperimenti per scoprire piccole violazioni.
di Fernando Ferroni

a.
La nebulosa Occhio di Gatto. Al momento del Big Bang materia e antimateria furono prodotte nella stessa quantità, ma oggi ciò che conosciamo nel nostro Universo è fatto di materia. L’antimateria originaria sembra così scomparsa.

In fisica il concetto di simmetria gioca un ruolo fondamentale. In particolare nella meccanica quantistica, la teoria deputata a descrivere i fenomeni che avvengono nell’infinitamente piccolo, cioè a livello nucleare e subnucleare. È quasi ironico che, in un mondo dove tutte le leggi che lo governano sono figlie di una simmetria, ci sia una asimmetria fondamentale: quella tra materia e antimateria. Ad oggi non c’è alcuna evidenza che nell’Universo ci siano regioni composte di antimateria, tuttavia questa assenza è un fatto abbastanza misterioso. All’inizio del tempo, infatti, quando il Big Bang avvenne, necessariamente si produsse un’analoga quantità di materia e antimateria. Questo lo possiamo verificare quotidianamente nei nostri acceleratori di particelle dove l’annichilazione di un elettrone con la sua antiparticella, il positrone, produce stati finali assolutamente simmetrici rispetto alla quantità di materia e antimateria. La prova che all’inizio l’Universo fosse simmetrico è data inoltre dal cosiddetto fondo di microonde a 3  kelvin che lo permea (vd. Asimmetrie n.4, ndr). Esso è composto di fotoni, quelli creati nell’evoluzione iniziale dell’Universo dall’annichilazione delle particelle con le loro antiparticelle. Essi erano allora molto energetici ma il lungo cammino che hanno percorso, nei quasi 14 miliardi di anni di vita, per effetto dell’espansione dell’Universo seguita al Big Bang, li ha fatti diventare “freddi”, cioè di bassa energia. Bisogna anche dire che in un Universo totalmente simmetrico non saremmo ammessi noi, osservatori fatti di materia! Solo i fotoni dovrebbero esistere, mentre tutte le particelle dotate di massa dovrebbero aver subito il processo di annichilazione. Ma noi esistiamo e così i pianeti, le stelle e le galassie. Insomma, la materia c’è, persino quella “oscura”! Questo vuol dire che una parte delle particelle, quelle di un determinato “segno” (la materia, appunto), sono sopravvissute. Se le contiamo, vediamo però che esse sono straordinariamente poche: un protone ogni 100 milioni di fotoni. C’è dunque una violazione della simmetria tra materia e antimateria, ma da questo ultimo dato si deduce che essa debba essere molto piccola. Le particelle cioè si devono comportare in maniera impercettibilmente diversa dalle antiparticelle. Si è supposto che ciò si potesse attribuire a una differenza di comportamento tra particelle e antiparticelle per quanto riguarda le proprietà della coniugazione di carica (C) e della parità (P): questa differenza nel comportamento viene chiamata violazione CP (vd. CP, la simmetria imperfetta., ndr).
Alla fine degli anni ’50 dello scorso secolo tutti erano convinti che la simmetria CP fosse inviolabile. Si pensava, cioè, che una particella riflessa da uno specchio si comportasse come la sua antiparticella davanti allo specchio. Due fisici statunitensi, Jim Cronin e Val Fitch, attaccarono questo tabù, e il coraggio fu premiato. La violazione fu osservata come un effetto minuscolo nel decadimento di un particolare tipo di particelle, i mesoni K⁰. Esistono due stati di mesoni K⁰: i “corti” (K^S), a vita breve che generalmente decadono in 2 pioni, e i “lunghi” (K^L), a vita medio-lunga, appunto, che decadono di solito in 3 pioni. Ciò che si trovò fu che il decadimento dei mesoni K⁰ “lunghi” produceva due pioni con una frequenza bassissima ma che corrispondeva comunque a un minuscolo effetto di violazione di CP. Così minuscolo che non a caso la scoperta della violazione di CP è del 1964 ma il successivo progresso significativo si è avuto dopo quasi 30 anni!
Una delle conseguenze di questo fondamentale esperimento, premiato col Nobel, fu la formulazione di Andrej Sacharov delle condizioni necessarie per spiegare l’asimmetria tra materia e antimateria nell’Universo. In breve esse sono: prima, l’esistenza del decadimento del protone (assai raro visto che noi, fatti di protoni, siamo qui a discuterne), che è oggetto di ricerca sperimentale in laboratori sotterranei nel mondo, e in Italia ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’Infn; seconda, la violazione CP, per l’appunto osservata nell’esperimento di Cronin e Fitch; e, terza, il fatto che, al tempo della scomparsa dell’antimateria, a ogni reazione non sia corrisposta una reazione opposta, che la controbilanciasse mantenendo così il sistema in equilibrio.

b.
La camera a vuoto dell’esperimento Na48, dove sono stati studiati i decadimenti spontanei dei mesoni K⁰ in coppie o triple di pioni. Nel 1999 dallo studio di questi decadimenti è stato ricavato un importante risultato: la misura della violazione CP diretta.

c.
Il rivelatore Kloe ai Laboratori Nazionali di Frascati dell’Infn. L’esperimento, ancora in funzione, ha consentito di eseguire misure molto precise sul decadimento dei mesoni K⁰ contribuendo in modo significativo a far luce su questi eventi, la cui comprensione è fondamentale per lo studio della violazione CP.

d.
Il rivelatore di Babar allo Stanford Linear Accelerator. Scopo dell’esperimento è studiare la violazione CP nel decadimento dei mesoni B. Per studiarla Babar fa scontrare un fascio di elettroni con uno di positroni che collidendo producono sia mesoni sia le loro antiparticelle. Attraverso l’attento studio delle differenze tra il decadimento del mesone B rispetto a quello del suo partner, l’antimesone B, sono stati forniti interessanti contributi allo studio della violazione CP.

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Unisci i punti. No, non è il nome dell’arcinoto gioco enigmistico. È l’appello lanciato dalla collaborazione scientifica Aegis a tutti gli appassionati di fisica che abbiano voglia di collaborare all’analisi dati dell’esperimento del Cern che studia l’antimateria.

L’obiettivo di Aegis è misurare gli effetti dell’accelerazione gravitazionale sull’antimateria. In particolare sull’anti-idrogeno. Atomi di quest’ultimo vengono fatti scontrare con atomi di materia e le particelle, prodotte nel processo di annichilazione che ne consegue, vengono fatte viaggiare attraverso un’emulsione che rende visibili le loro tracce. Ricostruendo punto per punto queste tracce è possibile stabilire dove esattamente è avvenuta l’annichilazione e perciò è possibile misurare il percorso di ciascuna particella: da queste informazioni la collaborazione Aegis spera di riuscire a calcolare l’effetto della gravità sull’antimateria.

E siccome la quantità di dati raccolti è enorme, prendendo ispirazione dal motto “l’unione fa la forza”, gli scienziati di Aegis chiamano a raccolta tutti gli appassionati affinché li aiutino a "unire i punti", cioè a ricostruire le tracce delle particelle, grazie a un’applicazione sviluppata dagli studenti che hanno partecipato all’edizione di quest’anno della Cern Summer Webfest. E come sottolineano i ricercatori, collaborare a questa impresa è divertente e il contributo che ciascuno dà potrebbe essere incluso in una prossima pubblicazione scientifica. [Antonella Varaschin]

Attenzione: la visione della ricostruzione delle tracce è sconsigliata alle persone epilettiche.

Per collaborare ad Aegis clicca qui.

L'esperimento Asacusa (Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons) del Cern di Ginevra, cui l'Infn partecipa, ha migliorato la precisione nella misura della massa dell'antiprotone. Un risultato che si è guadagnato la pubblicazione su Science. I fisici di Asacusa hanno raggiunto questo traguardo grazie a una innovativa tecnica spettroscopica, in grado di raffreddare gli atomi a una temperatura di 1,5-1,7 gradi al di sopra dello zero assoluto. Una temperatura, quindi, più bassa di quella dello spazio profondo.

"Queste misure forniscono uno strumento unico per comparare con alta precisione la massa di una particella di antimateria con la sua controparte di materia", affermano i ricercatori del Cern. La misura rientra nel filone di studi sulla cosiddetta simmetria CPT (carica, parità, tempo), una simmetria fondamentale della Natura, in base alla quale se esiste una particella, allora deve esistere anche un'antiparticella con la stessa massa, ma carica opposta. Molti esperimenti hanno provato a cercare violazioni di questa simmetria. Ma finora le misure hanno portato tutte allo stesso risultato: l'uguaglianza della massa tra protone e antiprotone.

Le indagini finalizzate a definire le caratteristiche dell’antimateria rappresentano da 50 anni uno dei punti di contatto tra la fisica delle particelle e lo studio dell’evoluzione dell’universo. Quando materia e antimateria entrano in contatto, spariscono in un lampo di energia, in un fenomeno che i fisici chiamano "annichilazione". Gli scienziati non hanno ancora capito perché agli albori del cosmo tutta l'antimateria sia sparita e la materia abbia prevalso sull'antimateria, seppure di poco, permettendo l'esistenza del cosmo così come lo conosciamo oggi. Una rottura, anche minima, della simmetria CPT potrebbe proprio aiutare gli studiosi a comprendere le ragioni della scomparsa dell'antimateria formata al momento del Big Bang.

In futuro, la precisione della misura della massa dell'antiprotone potrebbe essere ulteriormente migliorata con l'avvio, sempre al Cern, del deceleratore di antiprotoni Elena (Extra-Low ENergy Antiproton ring). [Davide Patitucci]

Il link all'esperimento: http://asacusa.web.cern.ch/ASACUSA/asacusaweb/main/main.shtml 

Confermando le prime osservazioni di Pamela e Fermi, l'esperimento Ams 02 (collocato sulla Stazione Spaziale Internazionale) ha comunicato di aver osservato un eccesso di positroni (antimateria di elettroni) nello spazio rispetto all'atteso e con una importante distribuzione in un range di energia. Come afferma un comunicato del Cern, i risultati di Ams si basano su circa 25 miliardi di eventi registrati in un anno e mezzo di attività e includono 400.000 positroni con energia compresa tra 0,5 GeV e 350 GeV. Questi rappresentano la più grande collezione di particelle di antimateria mai rivelata nello spazio. La frazione di positroni cresce tra i 10 GeV e i 250 GeV e i dati mostrano una tendenza alla riduzione della crescita di un ordine di grandezza nel segmento 20-250 GeV. I dati mostrano anche che non vi è nessuna variazione nel tempo né una direzione privilegiata di provenienza. Questi risultati sono coerenti con la presenza di positroni originati dalla annichilazione di particelle di materia oscura nello spazio, ma non sono sufficientemente conclusivi da escludere altre spiegazioni.

Secondo il presidente Infn, Fernando Ferroni: “I dati di Ams sono una interessantissima conferma – con precisione maggiore– dei dati rilevati dagli esperimenti spaziali Pamela e Fermi in questi ultimi anni. Una conferma che non risolve certo il rebus dell’antimateria in eccesso. Ma che indica come i dati dei due esperimenti (anche questi a fortissima presenza italiana) avessero visto giusto nel rivelare questa anomalia. Che sia o meno materia oscura non può che dirlo un ulteriore sforzo per produrre nuovi dati e analizzarli. Un lavoro che, come giustamente sottolinea il team Ams, richiede ancora del tempo e della prudenza”.

L’Italia ha dato un importante contributo alla costruzione e operazione del rivelatore nonché all’analisi dei dati, sotto la guida del professor Roberto Battiston, deputy spokesperson di Ams, dell’Università e Infn-Tifpa, Trento. La partecipazione dell’Italia è stata sostenuta dall’Infn e dall'Asi e ha visto il coinvolgimento delle Università e delle Sezioni Infn di Bologna, Milano Bicocca, Perugia, Pisa, Roma “Sapienza” e Trento in collaborazione con le industrie nazionali (Cgs, Caen, G&A Engineering, Fbk). Il contributo alla realizzazione della strumentazione spaziale ha riguardato il sistema di tempo di volo e di anelli Cherenkov (Bologna), il tracciatore al silicio (Perugia, Trento), il calorimetro elettromagnetico (Pisa), il rivelatore a radiazione di transizione (Roma), nonché il segmento a terra dei dati (Milano Bicocca). L’analisi dei dati è stata realizzata usando le infrastrutture di calcolo dell' Infn-Cnaf (Bologna) e dell' Asi-Asdc (Frascati).

L’esperimento Lhcb, uno dei quattro esperimenti di Lhc al Cern, è riuscito a ricreare in laboratorio le collisioni cosmiche fra protoni, accelerati nell’anello a un'energia di 6,5 TeV, e atomi di elio a riposo. Si tratta della prima misura di produzione di antimateria in collisioni protone-elio, e rappresenta perciò un passo significativo verso una migliore comprensione della produzione secondaria di antiprotoni nella propagazione dei raggi cosmici. Questi dati sono importanti per una più accurata interpretazione dei risultati degli esperimenti spaziali Pamela e Ams-02 sulla misura del rapporto tra protoni e antiprotoni nei raggi cosmici.

L'idea di questa misura nasce da un gruppo di fisici, sia teorici che sperimentali, attivi su progetti di fisica astroparticellare presso le sezioni Infn di Catania, Firenze e Torino, che l'hanno proposta alla collaborazione Lhcb. Il gruppo Lhcb della sezione di Firenze ha guidato la sua realizzazione attraverso un uso innovativo dei fasci di Lhc che ha reso per un giorno Lhcb un "esperimento spaziale”. I primi risultati di questa misura sono stati presentati alla conferenza Rencontres de Moriond 2017, a La Thuile. Negli scorsi anni, l’ultima generazione di esperimenti nello spazio per lo studio dei raggi cosmici ha portato grandi contributi alla nostra conoscenza sulla piccola componente di antimateria, circa una parte su diecimila, presente fra le particelle di alta energia che viaggiano all’interno della nostra galassia. In particolare, gli esperimenti Pamela, in volo su un satellite dal 2006, e più recentemente Ams-02, in orbita dal 2011 sulla Stazione Spaziale Internazionale (Iss), entrambi progetti con una importante partecipazione dell’Infn, hanno misurato con precisione il rapporto fra antiprotoni e protoni nei raggi cosmici, spingendosi a energie di centinaia di GeV, inaccessibili fino a pochi anni or sono (vd. anche Notizie dalla stazione spaziale, ndr). L’antimateria può fornirci informazioni su processi ancora ignoti che avvengono nell’universo perché, ad esempio, potrebbe essere il prodotto dell’annichilazione di particelle di materia oscura. Ma sappiamo che una piccola frazione di antimateria deve essere prodotta nelle collisioni fra i raggi cosmici e la “polvere di stelle”, cioè il gas interstellare di bassissima densità, composto prevalentemente di idrogeno ed elio, che i raggi cosmici incontrano nel loro cammino.

Per effettuare la nuova misura, i fisici di Lhcb hanno iniettato una minuscola quantità di gas di elio nel tubo ad alto vuoto dove circolano i fasci di LHC in prossimità del loro rivelatore, utilizzando un dispositivo chiamato, in modo evocativo, Smog. La pressione del gas è inferiore a un miliardesimo della pressione atmosferica, cosa necessaria a non alterare i fasci di Lhc, ma grazie all'intensità dei fasci di protoni è comunque sufficiente a completare la misura in poche ore.

“Grazie a Smog, Lhcb ha aperto la strada all'uso dei fasci di Lhc per esperimenti su bersaglio fisso”, commenta Giacomo Graziani, ricercatore dell’Infn di Firenze, principale autore dello studio. “Sebbene questa configurazione non fosse prevista nel programma iniziale di fisica a Lhcb, – prosegue Graziani – la geometria del rivelatore è particolarmente adatta allo scopo, e potremo dare contributi importanti alla fisica dei raggi cosmici e alla fisica nucleare, grazie anche alla possibilità di utilizzare bersagli con diverso numero atomico, come elio, neon e argon".

Grazie alla capacità di distinguere gli antiprotoni dalle altre particelle cariche, una specialità dell'esperimento, i fisici di Lhcb hanno misurato la probabilità che gli antiprotoni si formino in queste collisioni, che avvengono proprio all'energia rilevante per le attuali misure nello spazio. Per misurare con precisione la densità di questo bersaglio gassoso, è stata sviluppata una tecnica ad hoc: sono stati contati i singoli elettroni atomici che, “colpiti” dai protoni del fascio, un po' come palle da biliardo, vengono proiettati all'interno del rivelatore. Questo processo è conosciuto con grande precisione, e permette dunque di risalire al numero di atomi di elio esposti al fascio.

“La misura realizzata contribuirà a ridurre le incertezze presenti sulla stima degli antiprotoni secondari nei raggi cosmici, dando quindi la possibilità di una interpretazione più chiara delle difficili misure sugli antiprotoni effettuate da Pamela e Ams-02, ed è una chiara dimostrazione dell’importanza della multidisciplinarietà in ambito scientifico”, sottolinea Oscar Adriani, direttore della sezione Infn di Firenze, uno dei proponenti della misura. “Questo risultato a Lhc – prosegue Adriani – è infatti segno della vivacità intellettuale delle collaborazioni scientifiche Lhcb e Pamela e dimostra la capacità di mettere insieme in modo complementare quello che osserviamo in cielo prodotto dagli ‘acceleratori spaziali’ e quello che realizziamo noi nei nostri ‘acceleratori terrestri’”.

“L’antimateria cosmica è uno straordinario messaggero per la comprensione della produzione e propagazione di particelle nella galassia” spiega Fiorenza Donato, ricercatrice dell’Infn di Torino e professore di Fisica Teorica all’Università di Torino, che ha proposto la misura sull’elio ai colleghi sperimentali. “Tra gli antiprotoni misurati, - prosegue Donato - se ne potrebbero annidare alcuni originati dall’annichilazione di particelle di materia oscura, e i dati che Lhcb ha prodotto con notevole efficacia su bersaglio di elio potrebbero contribuire a rendere meno ambigua la loro individuazione. Questa misura può essere la prima di altre misure sviluppate dagli esperimenti al Cern con Lhc in collaborazione con la fisica cosmica, che ormai è diventata una scienza di alta precisione: la sinergia che si è creata può portare a importanti risultati per la soluzione di alcuni tra i più grandi misteri ancora irrisolti sul nostro universo, come quella della natura della materia oscura”, conclude Donato. [Antonella Varaschin]

Antiparticelle cosmiche
Satelliti alla ricerca dell’antimateria primordiale.
di Piero Spillantini

a.
La materia non è distribuita uniformemente nell’Universo, ma raggruppata in stringhe e nodi separati da enormi spazi vuoti, forse residui di regioni dove si è avuta annichilazione materiaantimateria. Questa immagine del Cosmo disseminato di galassie è stata ripresa dal telescopio spaziale Hubble tra il 2003 e il 2004.

Pezzetti di mondi lontani nello spazio e nel tempo, i raggi cosmici sono messaggeri degli stessi fenomeni che li hanno creati e accelerati, in quelle zone remote e in quel tempo passato. Le leggi fondamentali della fisica affermano che il mondo materiale che ci circonda è il prodotto di una “deformazione” dell’Universo, che all’inizio della sua storia doveva essere molto diverso: rigorosamente simmetrico nel contenuto di particelle e antiparticelle, di materia e di antimateria. I fisici hanno chiamato questa deformazione violazione di CP, ossia dell’applicazione simultanea della simmetria di carica C (scambio particelle-antiparticelle) e della simmetria di parità P (riflessione spaziale) (vd. CP, la simmetria imperfetta., ndr). Questa simmetria iniziale presuppone che possa esistere, da qualche parte, un “riflesso” del nostro mondo fatto, invece che della materia di cui abbiamo comune esperienza, di sola antimateria.

b.
Sezione di Pamela: sono rappresentate le tracce di un elettrone e di un positrone. Una particella attraversa tutto il rivelatore senza arrestarsi, l’altra si annichila nel calorimetro convertendo la sua massa in energia. A destra, uno spaccato della configurazione finale del rivelatore Pamela.

[as] approfondimento
Uno su un miliardo

1. Illustrazione della Stazione Spaziale Internazionale, in orbita a 400 chilometri dalla Terra. Il rivelatore Ams è rappresentato nella posizione che occuperà a partire dal 2010. Oggi la Stazione Spaziale Internazionale è visibile dalla Terra e di notte è l’oggetto più brillante del cielo, dopo la Luna.

Le osservazioni condotte negli ultimi decenni hanno messo in evidenza aspetti affascinanti e misteriosi sulla struttura dell’Universo. Tra questi, in particolare, appaiono decisivi per la comprensione delle origini e dell’evoluzione del Cosmo quelli che incidono sul bilancio globale di materia ed energia, come l’apparente scomparsa della antimateria primordiale e la presenza della materia oscura. Per dare risposta a interrogativi di questa natura, nel 1995 è stato proposto il programma Ams (Antimatter Matter Spectrometer), realizzato da una collaborazione internazionale nella quale l’Italia, con Infn e Asi (Agenzia Spaziale Italiana), ha un ruolo primario. Il sofisticato spettrometro superconduttore Ams-02, che entro il 2010 sarà installato sulla Stazione Spaziale Internazionale (Iss), pesa 7,5 tonnellate ed è dotato di un potente magnete superconduttore che avrà il compito di individuare eventuali antinuclei su oltre un miliardo di nuclei di fondo. Il magnete superconduttore di Ams-02 è il primo del suo genere a essere portato nello Spazio: opera a una temperatura di 1,4 gradi sopra lo zero assoluto (pari a –271,7 °C) e produce al suo interno un campo magnetico di 1 tesla, circa 20.000 volte superiore al campo magnetico terrestre. L’esperimento sarà completato e inviato al Kennedy Space Center della Nasa agli inizi del 2009: sarà quello il momento giusto per dare il via al conto alla rovescia. [Roberto Battiston] Biografia Roberto Battiston è professore di Fisica Generale presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Perugia. è responsabile nazionale dell’esperimento Infn Ams.

c.
Andamento qualitativo previsto del rapporto tra i flussi di antiprotoni e di protoni in funzione dell’energia cinetica. In rosso, il caso di antiprotoni prodotti solo dall’interazione dei protoni con la materia interstellare (produzione secondaria). L’andamento costante, in verde, rappresenta il caso di produzione diretta di coppie protone-antiprotone da una sorgente, per esempio da materia oscura. Antiprotoni provenienti da regioni di antimateria nell’Universo contribuirebbero con andamento crescente (curva blu), poiché la possibilità che penetrino la Galassia aumenta con l’energia.

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Da Star Trek a Dan Brown
L’antimateria nell’immaginario fantascientifico.
di Fabio Pagan

Il 6 gennaio 1996 il quotidiano francese Libération usciva con una prima pagina singolare, ispirata al mondo dei supereroi dei fumetti: un grande disegno a colori con una specie di Superman aggrappato a un meteorite. Titolo: Premiers pas dans l’antimonde. In didascalia si ricordava che nel settembre precedente, al Cern, erano stati fabbricati i primi antiatomi di idrogeno (due intere pagine del giornale erano infatti dedicate all’esperimento, con una lunga intervista all’italiano Mario Macrì) e che oggi, sulla Terra, non esistono più particelle di antimateria: “Salvo – veniva precisato – nelle teorie dei fisici e nella fantasia degli autori di science fiction”.
Una specie di tributo all’immaginario narrativo che ha sempre circondato l’antimateria. Ma, da quando Paul A.M. Dirac aveva previsto nella sua celebre equazione l’esistenza dell’antielettrone e aveva ricevuto nel 1933 il premio Nobel prospettando l’esistenza di un anti-universo, ci vollero una decina d’anni perché l’antimateria cominciasse a far capolino nei pulp magazine, le riviste da edicola dell’epoca. Gli storici della fantascienza attribuiscono a Jack Williamson – uno dei maestri dell’avventura spaziale, scomparso lo scorso novembre quasi centenario – il merito di aver usato per primo il concetto di antimateria nelle sue Seetee stories, apparse a partire dal 1942 sulla rivista Astounding Science Fiction con lo pseudonimo di Will Stewart (in Italia vennero pubblicate solo nel 1974 in un volume intitolato Il millennio dell’antimateria).
Il termine Seetee è la trascrizione fonetica di Ct, ovvero contraterrene: così l’antimateria veniva spesso chiamata dopo che Carl Anderson (nel 1932) aveva identificato il positrone nella radiazione cosmica. Qualche altro esempio? Alfred E. van Vogt (The Storm, 1943) parla di una tempesta cosmica innescata dallo scontro tra una nube di gas di materia ordinaria e una nube di antimateria. James Blish (Beep, 1954) si ispira a Dirac per un trasmettitore capace di collegare istantaneamente ogni punto della galassia grazie all’impiego di elettroni e positroni. Lo scrittore sovietico Anatolij Dneprov abbina universi paralleli e antimateria dapprima in un racconto (La mummia purpurea, 1961) e successivamente in un romanzo (Operazione antimateria, 1965). Larry Niven (Flatlander, 1967) racconta l’esplorazione di un oggetto di antimateria ai confini del Cosmo. Bob Shaw (A Wreath of Stars, 1976) immagina un intero mondo fatto di antineutrini. Fino al sofisticato Ripples in the Dirac Sea (1988), che ha fatto vincere il premio Nebula al suo autore, Geoffrey A. Landis, scrittore, inventore e ingegnere della Nasa, impegnato nelle missioni di esplorazione marziana.
Tuttavia non c’è dubbio che l’antimateria, nella fantascienza, resta legata soprattutto alla saga televisiva e cinematografica di Star Trek. Parafrasando Shakespeare, l’antimateria è infatti la materia di cui sono fatti i sogni di Star Trek. Senza l’antimateria, non sarebbero possibili – come veniva detto dalla voce fuori campo all’inizio del primo film della serie – “le crociere della nave stellare Enterprise: la sua missione è quella di esplorare nuovi mondi, alla ricerca di nuove forme di vita e di nuove civiltà, e di giungere arditamente dove nessun uomo è mai giunto prima d’ora”. Ma come far correre l’Enterprise a velocità superiore a quella della luce? Gene Roddenberry (il “papà” di Star Trek) decise di dotarla dell’ormai mitico warp drive, il motore di curvatura capace di contrarre lo spazio davanti all’astronave e di dilatarlo dopo il suo passaggio.
La distorsione spazio-temporale consente di creare una scorciatoia tra il punto di partenza e quello di arrivo, catapultando l’Enterprise da un angolo all’altro della galassia. L’energia per la manovra è ottenuta attraverso l’annichilazione di atomi di deuterio e antideuterio, ingabbiati da potenti campi magnetici. La camera in cui avviene la reazione è costruita attorno a una rete di cristalli di litio, che controllano l’annichilazione senza interagire con l’antimateria.

a.
L’autore davanti allo Shuttle sperimentale Enterprise montato su un Boeing 747 cargo, nel giugno del 1983 al 2Salone Aerospaziale" di Parigi.

b.
Il cast del telefilm Star Trek davanti allo shuttle Enterprise.

c.
Lawrence Krauss, autore del libro La Fisica di Star Trek, stringe in mano un modellino dell’Enterprise.

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Fabbrica di antiatomi
Dal 2002 al Cern produciamo atomi di anti-idrogeno.
di Alberto Rotondi e Gemma Testera

a.
All’interno della trappola di ricombinazione gli antiprotoni (in giallo) penetrano nella nuvola di positroni (in blu). Gli anti-idrogeni (in rosa) che si formano si annichilano sulle pareti (annichilazione dell’anti-idrogeno).

b.
L’esperimento Athena al Cern di Ginevra, in Svizzera. Quando materia e antimateria annichilano, producono alcune particelle elementari (mesoni) e due deboli lampi di radiazione, cioè due fotoni. Il rivelatore di Athena riusciva a individuare i mesoni, registrando i segnali elettrici che essi rilasciavano in due strati concentrici di sottili strisce di silicio, mentre i fotoni venivano rivelati dalla luce emessa attraversando i cristalli di ioduro di cesio.

[as] approfondimento
Come cade l’antimateria

1. Schema delle trappole per antiprotoni e positroni nell’esperimento Aegis e dell’apparato per la misura della gravità.

Tutti i corpi, qualunque sia la loro forma o la loro composizione chimica, sono attratti dalla Terra allo stesso modo e cadono con la stessa accelerazione g = 9,8 m/s² (circa). Questo lo capì già Galileo, 400 anni fa, e Einstein fece di questa osservazione il pilastro su cui fondare la sua teoria della gravitazione, detta Relatività Generale. Dunque, secondo Einstein, anche atomi fatti di antimateria dovrebbero cadere verso la Terra con la stessa accelerazione g dei corpi materiali. Ma nessuno finora ha mai realizzato un esperimento per verificare direttamente questo fatto. Il motivo principale è che la forza gravitazionale su singoli atomi (o antiatomi) è molto molto debole e, per misurarne gli effetti, occorrerebbe mantenere gli antiatomi in interazione con la Terra per tempi estremamente lunghi, in apparati sperimentali grandi più di intere città! L’esperimento diventa invece fattibile quando gli antiatomi sono molto freddi (cioè quasi fermi), come quelli prodotti da Athena. Il successore di Athena sarà il nuovo esperimento Aegis, in preparazione al Cern di Ginevra, che dovrebbe entrare in funzione tra il 2010 e il 2011 e che coinvolgerà vari ricercatori dell’Infn oltre a numerosi collaboratori stranieri. Aegis produrrà antiidrogeno ancora più freddo di quello di Athena, con una temperatura di 0,1 gradi sopra lo zero assoluto, e misurerà la caduta degli antiatomi dopo un metro di percorso. Gli antiprotoni saranno raffreddati nella trappola superiore (vd. fig. 1). Una nuvola densa di positroni verrà fatta incidere sul bersaglio posta sotto la trappola e qui si formerà il positronio (un elettrone e un positrone legati). Il positronio sarà poi investito da un fascio di luce laser che lo porterà in uno stato eccitato. Ora, il positronio eccitato, attraversando la nuvola di antiprotoni freddi, ha una grande probabilità di formare dell’anti-idrogeno freddo. Occorre un sistema piuttosto sofisticato per misurare la caduta di questi atomi di anti-idrogeno: un fascio orizzontale passerà attraverso due grate materiali con scanalature orizzontali seguite da un rivelatore di posizione, con cui si misurerà la posizione verticale di arrivo di questi antiatomi. Alcuni arriveranno sul rivelatore, altri no perché saranno fermati dalla grata stessa. La distribuzione delle posizioni verticali degli atomi di anti-idrogeno che annichilano sul rivelatore mostrerà una struttura di “luce e ombra” come quella prodotta da una tapparella semichiusa attraversata dai raggi del Sole. È studiando le caratteristiche di questa struttura che si otterrà per la prima volta il valore di g per l’antimateria.

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L'Alpha Magnetic Spectrometer Ams-02, il grande cacciatore di antimateria, al quale l’Italia partecipa con l’INFN e l’Agenzia Spaziale Italiana (Asi), ha pubblicato i nuovi risultati sulle misure di positroni fino a energie di 500 GeV ed elettroni a energie fino a 700 GeV, basate su 10 milioni di elettroni e positroni identificati tra i 41 miliardi di raggi cosmici raccolti nei primi 30 mesi della missione. Questi risultati estendono e migliorano le prime osservazioni pubblicate nella primavera dello scorso anno. Le nuove misure raggiungono un limite di energia finora inesplorato per queste componenti della radiazione cosmica e, grazie anche alla loro precisione, aprono nuovi orizzonti nella ricerca di fenomeni ancora sconosciuti in atto nel nostro universo.  
L’identificazione diretta dei positroni è particolarmente significativa per lo studio di fenomeni non ancora noti. Deboli quantità di antimateria possono, infatti, essere generate nell’urto tra le particelle che compongono la radiazione cosmica e le polveri interstellari, ma la loro presenza è attesa scemare rapidamente al crescere dell’energia. Invece, la frazione di positroni osservata da Ams cresce rapidamente a partire da un’energia di 8 GeV, indicando l’esistenza di una nuova sorgente di questa componente di antimateria rispetto a quanto previsto dalla loro produzione “standard” nella radiazione cosmica. L’eccesso osservato di positroni appare isotropo entro un’incertezza del 3% suggerendo che non ci siano direzioni particolari da cui nasce questo eccesso di positroni. Un’analisi dettagliata del tasso di crescita della frazione di positroni con l’energia esclude strutture fini, e per la prima volta indica chiaramente il raggiungimento di un valore massimo della frazione a energie attorno ai 275 GeV. Un punto importante da affrontare per l’interpretazione di questo risultato è se questo aumento della frazione di positroni sia dovuto a una sorgente aggiuntiva di positroni o a una “sparizione” di elettroni.  
Oltre all’eccesso di positroni, il secondo risultato che Ams pubblica oggi riguarda lo studio del flusso separato di elettroni e positroni, ovvero la misura del numero di queste particelle che arriva nell’unità di tempo alla sommità dell’atmosfera terrestre, e ne caratterizza con estrema precisione l’andamento con l’energia. I risultati indicano chiaramente che non ci sono brusche variazioni nello spettro dei flussi di elettroni, confermando quindi che l’andamento con l’energia della componente dei positroni richiede la presenza di nuovi fenomeni per la loro produzione. Questi risultati sono di estrema importanza per tracciare un identikit di possibili sorgenti di antimateria e discriminare il contributo della materia oscura. Collisioni di materia oscura producono, infatti, antimateria (positroni, antiprotoni) e, a seconda del tipo di materia oscura considerato, sono attesi diversi andamenti in dipendenza dall’energia dei flussi di particelle prodotte. I risultati pubblicati oggi in Physical Review Letters definiscono con alta precisione le caratteristiche dell’eccesso di positroni in funzione dell’energia e sono consistenti con particelle di materia oscura (neutralini) di massa dell’ordine di 1 TeV. Tuttavia, per stabilire se l’origine dell’eccesso dei positroni sia realmente legato alla materia oscura o se sia dovuto a sorgenti astrofisiche, ad esempio pulsar, dovrà essere esteso ulteriormente l’intervallo di energia della misura per determinare le modalità con cui la frazione di positroni decresce dopo aver raggiunto il suo massimo. Di particolare importanza sarà anche il confronto dell’effetto osservato con quello misurato in altre componenti di antimateria, ad esempio gli antiprotoni. Queste misure sono attualmente in corso in AMS e saranno oggetto delle prossime pubblicazioni. [Antonella Varaschin]

Idrogeno allo specchio
Studi di antimateria in laboratorio

di Luca Venturelli

a.
La simmetria CPT è l’invarianza delle leggi fisiche rispetto alla combinazione di tre trasformazioni: la coniugazione di carica C, che scambia ogni particella con la rispettiva antiparticella; la trasformazione di parità P, che inverte gli assi spaziali, scambiando la destra con la sinistra, il sopra con il sotto, il davanti con il dietro; l’inversione temporale T, che inverte la direzione del tempo.

Gran parte della conoscenza delle leggi della Natura e di come è fatto il nostro universo proviene dallo studio dell’idrogeno (H), l’elemento chimico più semplice, composto da un protone e da un elettrone. Oggigiorno ci sono grandi aspettative che il partner di antimateria dell’idrogeno, formato da un antiprotone e da un positrone e chiamato anti-idrogeno, possa contribuire a sviluppare ulteriormente le nostre conoscenze e a risolvere alcuni dei misteri dell’universo.
Uno degli enigmi più intriganti della fisica è il fatto che l’universo visibile è composto quasi completamente di materia, mentre l’antimateria è di fatto assente. È ragionevole assumere che con il Big Bang materia e antimateria siano state create in ugual quantità. Ma se, venendo a contatto, si fossero annichilate completamente, il nostro mondo e noi stessi non esisteremmo.
Una possibilità è che una parte di materia e una di antimateria siano sopravvissute isolandosi in regioni separate dell’universo. Se così fosse, dalle zone di confine tra materia e antimateria dovrebbero comunque provenire segnali dell’annichilazione che in realtà non sono mai stati osservati. Quindi allo stato attuale sembra che l’universo sia asimmetrico.
Che la materia e l’antimateria non siano esattamente simmetriche, quando si considerano i processi fisici in cui è coinvolta l’interazione debole, cioè che ci sia la cosiddetta “violazione CP”, è cosa nota (vd. Specchi imperfetti, ndr). Questa asimmetria e le altre finora osservate sono però troppo piccole per spiegare l’asimmetria dell’universo.
La spiegazione potrebbe risiedere nella violazione di una simmetria più fondamentale, chiamata CPT e consistente nell’invarianza delle leggi fisiche rispetto a un cambiamento della carica (trasformazione C), all’inversione degli assi spaziali (trasformazione P) e all’inversione del tempo (trasformazione T). Ma la validità di questa simmetria è stabilita da un teorema molto generale e ad oggi la sua violazione non è mai stata osservata.
La simmetria CPT implica che la massa, la vita media e i valori assoluti della carica elettrica e del momento magnetico di un’antiparticella siano esattamente uguali a quelli della corrispondente particella. Inoltre, le proprietà spettroscopiche di un antiatomo come l’anti-idrogeno devono essere esattamente uguali a quelli del corrispondente atomo, nel nostro caso l’idrogeno.

Esperimenti che mostrassero una sia pur piccola differenza tra le proprietà di particelle e di antiparticelle, o di atomi e di antiatomi, sarebbero una dimostrazione diretta della violazione di CPT e richiederebbero una profonda revisione delle leggi della Natura.
Numerose ricerche sono state realizzate e sono tuttora in corso in questo ambito. Dal momento che l’idrogeno è uno dei sistemi fisici meglio misurati, studi accurati sul suo partner di antimateria possono permettere di verificare la simmetria CPT con grande precisione.
I primi atomi di anti-idrogeno furono creati al Cern nel 1996, ma a velocità relativistiche che li rendevano inadatti a un confronto preciso con l’idrogeno.
È nel 2002 che sono stati prodotti e rivelati i primi atomi di anti-idrogeno di bassa velocità, a opera dell’esperimento Athena prima e di Atrap poco dopo, presso l’Antiproton Decelerator del Cern. Da allora diversi milioni di atomi di anti-idrogeno sono stati prodotti, e notevoli progressi sono stati realizzati nello studio delle loro caratteristiche.
La produzione di anti-idrogeno viene realizzata generalmente sovrapponendo nuvole di antiprotoni e di positroni. Il problema principale di questa sperimentazione è che l’antimateria non può venire a contatto con la materia perché si annichilerebbe. Antiprotoni con una velocità di circa un decimo di quella della luce sono forniti dall’Antiproton Decelerator ai diversi esperimenti, dove vengono ulteriormente rallentati in opportune trappole elettromagnetiche tenute a temperature di qualche decina di kelvin e sovrapposti a un plasma di positroni in equilibrio termico con l’ambiente.
I positroni sono prodotti usando delle sorgenti radioattive (solitamente il sodio-22, ²²Na), mentre la produzione di antiprotoni relativamente lenti è di notevole complessità. Al momento l’unica sorgente esistente al mondo è l’Antiproton Decelerator del Cern.
Quando un antiprotone si lega a un positrone si forma un atomo di anti-idrogeno che, essendo neutro, non è intrappolato dai campi elettromagnetici della trappola ed è libero di volare via dalla zona di produzione (vd. in Fabbrica di antiatomifig. a, ndr). Per poter realizzare misure di precisione è necessario che l’anti-idrogeno possa essere osservato per periodi relativamente lunghi.
Per questo l’esperimento Alpha, in funzione al Cern dal 2005, ha realizzato un apparato che è in grado di intrappolare, oltre alle particelle cariche, anche gli atomi neutri di anti-idrogeno, sfruttando il fatto che, essendo dotati di momento magnetico, possono risentire di piccole forze in presenza di un campo magnetico che varia nello spazio.
Grazie allo sviluppo di queste tecniche Alpha ha potuto ad oggi intrappolare decine di migliaia di atomi di anti-idrogeno e realizzare le prime misure di spettroscopia di un sistema atomico di antimateria. I risultati più recenti hanno una precisione di 2 x 10^-12 nella misura della transizione tra lo stato fondamentale (1S) e il primo stato eccitato (2S) dell’anti-idrogeno e una precisione di 4 x 10^-4 per la transizione tra i due sottostati dello stato 1S (la cosiddetta struttura “iperfine”).

b.
L’esperimento Athena, del Cern, che nel 2002 ha prodotto per primo atomi di anti-idrogeno
a bassa velocità.

c.
Il nuovo anello di decelerazione Elena rallenterà le particelle di antimateria più che mai per migliorare l’efficienza degli esperimenti sullo studio dell’antimateria.

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Oltre 90 miliardi di particelle cosmiche, tra cui più di milione di rare particelle di antimateria, osservate in 5 anni, e lo studio sistematico di tutte le specie nucleari presenti nei raggi cosmici, evidenziando caratteristiche inaspettate nelle forme degli spettri di protoni, elio e litio. Questo primo bilancio dell’attività del grande cacciatore di antimateria Alpha Magnetic Spectrometer (Ams), installato a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (Iss) nel maggio 2011, e al quale l’Italia partecipa con l’Infn e l’Asi, apre per la ricerca in fisica delle particelle nello spazio un’epoca di misure di alta precisione, che richiede nuove e più approfondite teorie per spiegare le osservazioni effettuate.

I principali risultati che la missione Ams è riuscita a ottenere, grazie alle eccellenti prestazioni dello strumento e alla prolungata esposizione nello spazio, sono stati presentati in un seminario al Cern dal premio Samuel C.C. Ting del Mit, responsabile internazionale della collaborazione, e fondatore dell’esperimento, nel 1994, insieme a Roberto Battiston, oggi presidente dell’Asi. I contributi principali di Ams consistono nello studio delle particelle di antimateria: Ams studia lo spettro di positroni e antiprotoni nella radiazione cosmica in un intervallo di energie inesplorato. Lo studio dell’antimateria presente nel cosmo è, infatti, uno dei principali obiettivi per cui è stato progettato Ams, e su cui la collaborazione ha concentrato i suoi sforzi in questi cinque anni.

Deboli quantità di antiparticelle possono essere generate nell’urto tra le particelle che compongono la radiazione cosmica e le polveri interstellari, ma ogni eccesso di antiparticelle osservato, rispetto a quanto prevedibile dalla produzione “standard”, può essere potenzialmente legato alla presenza di nuove sorgenti esotiche, ad esempio annichilazioni di particelle di materia oscura. Dall’energia rilasciata in collisioni di particelle di materia oscura possono, infatti, essere prodotte particelle ordinarie, protoni o elettroni, insieme alle loro antiparticelle, antiprotoni e positroni. Sperimentalmente, questa è una sfida in cui si cerca un ago in un pagliaio: per osservare un antiprotone devono essere “scartati” 10.000 protoni, 1.000 nuclei di elio e 100 elettroni, questo è stato possibile in Ams dall’utilizzo simultaneo di più tecniche di rivelazione mutuate dagli esperimenti di fisica delle alte energie negli acceleratori di particelle.

Ams ha misurato i flussi di antiprotoni e positroni in un ampio intervallo di energie mai raggiunto prima, e ha studiato le differenti caratteristiche dei loro spettri rispetto alle rispettive particelle. In entrambi i canali è stato rilevato un “eccesso” rispetto a quanto atteso, eccesso che, con maggiore precisione e in un intervallo di energia più esteso, conferma quello visto da Pamela nel 2009. Per spiegare queste osservazioni sono richieste nuove sorgenti di antiparticelle e/o nuovi meccanismi di generazione di queste antiparticelle nel mezzo interstellare. L’eccesso osservato è particolarmente significativo nei positroni, studiati per la prima volta fino a energie di 700 GeV, compatibile con modelli in cui la materia oscura è dovuta all’esistenza di nuove particelle con massa al TeV. Alternativamente, la produzione da sorgenti astrofisiche, quali le pulsar, rappresentano una sorgente “tradizionale” che potrebbe spiegare le osservazioni di Ams. La discriminazione tra queste due ipotesi è l’obbiettivo delle misure che Ams continuerà sulla Iss nei prossimi anni dopo aver aumentato ulteriormente la statistica di eventi raccolti.

Un altro mistero dell’antimateria investigato da Ams è legato alle origini dell’universo: nel modello del Big Bang iniziale è prevista la generazione di un’eguale quantità di materia e antimateria, ma l’universo che conosciamo è fatto di materia. Ad oggi non ne conosciamo il perché, non sappiamo né quali siano i meccanismi che possano aver portato alla annichilazione di tutta l’antimateria nei primi istanti di vita dell’universo, né se ci siano ancora residui di antimateria di origine primordiale. L’identificazione certa di anche un singolo antinucleo nella radiazione cosmica, ad esempio antielio o anticarbonio, riveste quindi un’estrema importanza, perché potenzialmente dovuto a nuova fisica, sia che sia stato prodotto nell’universo primordiale o in fasi successive dell’evoluzione dell’universo, per esempio attraverso l’annichilazione di materia oscura, oppure mediante processi ancora non studiati nel mezzo interstellare. In cinque anni Ams ha selezionato 3,7 miliardi di nuclei di elio. La proporzione tra il segnale cercato (antielio) e il possibile fondo (elio) in queste osservazioni è molto piccola, circa uno su un miliardo: questo implica che, per avere la certezza della natura di questi eventi è necessario avere una comprensione di ogni possibile effetto strumentale in estremo dettaglio. Anche in questo caso occorre accumulare più dati per giungere alla piena comprensione di questi eventi, evidentemente uno degli obiettivi primari dei prossimi anni di Ams.

In questi cinque anni di attività, Ams ha anche iniziato uno studio sistematico di tutte le specie nucleari presenti nei raggi cosmici, dalle più leggere, come protoni, elio, litio, alle più pesanti, fino al ferro, presentando risultati fino ai nuclei di ossigeno. La grande statistica di eventi accumulati e l’accuratezza dei rivelatori che costituiscono Ams hanno permesso di evidenziare caratteristiche inaspettate nelle forme degli spettri, di protoni, elio e litio, distinguendo anche i diversi comportamenti delle specie “primarie”, prodotte dalle sorgenti, e “secondarie” prodotte principalmente nelle collisioni con il mezzo interstellare. L’interpretazione di queste misure è direttamente legata sia ai meccanismi che originano i raggi cosmici, che ai processi che ne segnano il percorso all’interno della galassia scandendo, in base ai rapporti trovati tra i flussi di diverse specie, i tempi del loro viaggio. L’estensione delle misure finora effettuate alle specie più pesanti, permetterà nei prossimi anni di formare per la prima volta un quadro complessivo delle proprietà spettrali dei raggi cosmici fino a energie del TeV.

“I venti anni spesi nel costruire e poi operare Ams sono pienamente ricompensati dai risultati presentati e quelli che ancora ci aspettano negli anni a venire”, commenta Bruna Bertucci, responsabile Infn e vice-responsabile internazionale del progetto Ams. “Ams ha dato un nuovo indirizzo alla fisica delle particelle nello spazio – prosegue Bertucci – e la nostra soddisfazione è resa anche maggiore dal contributo fondamentale dei nostri giovani ricercatori ai risultati presentati oggi. L’entusiasmo per la ricerca che Ams ha trasmesso alle nuove generazioni di ricercatori e l’esperienza che hanno maturato in una collaborazione internazionale così competitiva permetteranno loro di proporre e guidare nuovi progetti, anche più ambiziosi, mantenendo così alta l’eccellenza italiana in questo campo”, conclude Bertucci. Per la piena comprensione dei fenomeni osservati da Ams nell’ambito della fisica dei raggi cosmici, la discriminazione tra differenti scenari alla base degli eccessi osservati nei flussi di anti-particelle e la possibile conferma dei candidati di anti-elio sarà quindi fondamentale la continuazione della presa dati dell’esperimento nei prossimi anni, fino alla permanenza in orbita della Stazione Spaziale Internazionale. [Antonella Varaschin]

Vd. anche: Notizie dalla stazione spaziale

Il grande passo dell'antimateria nucleare
La scoperta dell’antideuterio al Cern.
di Antonino Zichichi

a.
Il professor Dirac circondato da giovani fisici a Erice, dopo una lezione in cui spiegava la differenza tra antiparticelle e antimateria. È in questa occasione che ha detto quanto riportato in apertura di questo articolo.

b.
Eugene P. Wigner, Antonino Zichichi, Paul Dirac (Erice, 1982).

c.
John S. Bell a Erice nel 1963.

d.
Lee durante la sua lezione in cui spiega perché il teorema CPT perde la sua validità alla Scala di Planck (a sinistra nella foto Melvin Schwartz, all’estrema destra Isidor I. Rabi).

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L’esperimento Aeḡis (Antimatter Experiment: Gravity Interferometry and Spectroscopy) (vd. anche Fabbrica di antiatomi, ndr), realizzato al Cern con la collaborazione dell’Infn, annuncia oggi su Nature Communications di aver misurato, grazie allo strumento chiamato deflettometro moiré, la deflessione di un fascio di antiprotoni sotto l'effetto di una debolissima forza magnetica. Si tratta di un primo test dello strumento che ne ha verificato l’efficienza e la sensibilità, nella prospettiva di eseguire in futuro misure degli effetti della gravità su atomi di anti-idrogeno. Non esiste infatti ad oggi una misura diretta del fatto che l'antimateria subisca la forza gravitazionale in modo del tutto equivalente alla materia. "È molto probabile che questa equivalenza sia vera – ha commentato Gemma Testera, viceresponsabile di Aeḡis e coordinatrice Infn della collaborazione italiana – ma la nostra misura fornirà in ogni caso un'indicazione molto utile per capire come costruire una teoria quantistica della gravità e quindi una visione unitaria delle forze fondamentali della natura, di cui ancora non disponiamo". Il deflettometro moiré usato da Aeḡis è costituito da due grate parallele tra di loro poste in successione a una certa distanza, formate da fenditure orizzontali e seguite da un rivelatore (una emulsione) che registra la posizione di arrivo delle particelle. Le scanalature delle grate provocano un “effetto ombra” (deflessione di moiré) e fanno in modo che le particelle possano arrivare sul rivelatore solo in certe specifiche posizioni verticali, selezionando la direzione del raggio incidente. Se una debole forza agisce sulle particelle durante il volo tra le grate la forma dell'ombra si modifica e si può risalire al valore della forza. È con questo dispositivo che la collaborazione Aeḡis è riuscita a misurare gli effetti di una debolissima forza magnetica sugli antiprotoni. “Questo risultato rappresenta la prima misura della deflessione moiré con l'antimateria”, ha aggiunto Gemma Testera. “Aeḡis si prepara in futuro a misurare l'effetto della forza di gravità su atomi di anti-idrogeno, con un dispositivo simile a questo, ma molto più grande, che provocherà uno spostamento della forma dell’ombra, analogo a quello ottenuto ora con il campo magnetico su antiprotoni". [Sara Cacciarini]

La Fisica, la Bellezza e l'Antimateria
La storia enigmatica dell’antimateria e della simmetria nell’Universo.
di Andrea Vacchi

a.
Il quadro Day and Night di M. C. Escher. Il positrone, la controparte di antimateria dell’elettrone, fu inizialmente immaginato come una lacuna nel mare di Dirac. Una scatola piena di elettroni, salvo un piccolo spazio, può essere vista come una scatola vuota con un positrone in quello stesso spazio.

Nell’estate del 1931 Wolfgang Pauli assisteva a un seminario di Robert Oppenheimer sul lavoro del fisico teorico Dirac. Si racconta che, nel bel mezzo di quella lezione, scattò in piedi, afferrò un pezzo di gesso camminando verso la lavagna, e lì davanti si fermò brandendolo come per intervenire, poi disse: “Ach nein, das ist ja alles falsch!”… tutto questo è certamente sbagliato! Più tardi Pauli scrisse, a proposito della spiegazione che Dirac dava dei risultati della sua teoria,“non crediamo che tutto questo debba essere preso sul serio”.
Di carattere molto schivo, ai limiti della scontrosità, quando nel 1933 Paul Dirac seppe di aver ricevuto il premio Nobel la sua prima tentazione fu di rinunciare al riconoscimento. Accettò solo davanti all’obiezione di Ernest Rutherford, Nobel nel 1908, che il rifiuto avrebbe suscitato una pubblicità perfino maggiore. Aveva 31 anni e la convinzione che le leggi fondamentali della Natura fossero pervase da una bellezza matematica che resta tale da qualsiasi punto di vista e sempre. In quel periodo la recente teoria della meccanica quantistica spiegava come il mondo delle cose molto piccole seguisse leggi diverse da quelle suggerite dal nostro intuito: la meccanica quantistica è una delle maggiori rivoluzioni nella fisica del ventesimo secolo e, anche se può apparire bizzarra e lontana dall’intuito, è probabilmente la descrizione della Natura più vicina alla realtà. Nel frattempo, Einstein proponeva la sua teoria della relatività speciale, dove si mostrava come lel eggi che descrivono cose molto veloci sfidino i nostri criteri di buonsenso e che la materia è una tra le tante forme di energia. Nel 1927, Paul Dirac fece il passo fondamentale per accordare fisica quantistica e teoria della relatività speciale di Einstein, introducendo un’equazione in grado dispiegare il comportamento degli elettroni ad ogni velocità, fino alla velocità della luce: quale è la giusta descrizione dell’elettrone come onda quantica? E quale l’equazione che governa la dinamica di queste onde, rispettando le regole della relatività? Il lavoro di Dirac era volto a descrivere la Natura attraverso una formula che rispettasse un’estetica nella matematica. Gli capitò di dire: “È più importante arrivare a equazioni belle che ottenere da esse la riproduzione di osservazioni sperimentali”. Questa impostazione lo condusse a risultati spettacolari. È fondamentale che l’esperimento confermi una teoria scientifica, ma certe teorie appaiono troppo belle per essere scartate, anche se restano in attesa di una conferma sperimentale. Semplicità ed eleganza sonole caratteristiche che appaiono quando una teoria è sviluppata con il minimo numero di assunzioni, quando è universale e descrive fenomeni ai quali non era diretta in origine.

b.
Un ritratto di Paul Dirac.

c.
Carl Anderson vicino alla camera a nebbia con cui scoprì il positrone nel 1932.

[as] approfondimento
Il mistero dei raggi cosmici

1. Questo strumento è una delle camere a nebbia usate da Carl Anderson in un forte campo magnetico. Millikan aveva chiamato la linea sperimentale, impostata attorno al 1930 con l’uso di questi strumenti, study of cosmic rays, the birth cries of the universe, ossia “studio dei raggi cosmici, il primo vagito dell’Universo”.

2. La famosa fotografia del 1932: raffigura il positrone che entrando dal basso attraversa uno spessore di piombo perdendo energia. Una minore energia, infatti, determina una maggiore curvatura della traccia nel campo magnetico. L’elettrone avrebbe avuto una curvatura opposta.

La più naturale sorgente di antimateria era, allora come oggi, la radiazione proveniente dal Cosmo. Già nel 1912 Victor Hess, salendo a 5.000 metri con un pallone aerostatico, aveva notato che la ionizzazione prodotta sui suoi strumenti dalla radiazione cresceva aumentando la quota. “I risultati delle mie osservazioni si spiegano perfettamente supponendo che una radiazione di grandissimo potere penetrante entri dall’alto nella nostra atmosfera […]”, scrisse più tardi. Una pioggia incessante di particelle provenienti dallo Spazio colpisce la Terra: sono i raggi cosmici, l’unico contatto materiale con la Galassia e l’Universo. Come e dove nascono? In che modo raggiungono la loro energia? Fuori dell’atmosfera terrestre i raggi cosmici sono particelle di ogni tipo: i più abbondanti sono protoni (i nuclei di idrogeno), poi nuclei di elio e di elementi più pesanti. Il campo magnetico della Terra ne devia la traiettoria in modo più o meno importante in base alla loro energia. Arrivando negli strati alti dell’atmosfera e urtando contro le molecole dell’aria, i raggi cosmici primari producono uno sciame, una vera e propria cascata di particelle secondarie, ricca anche di antiparticelle. La natura delle particelle, nello sciame prodotto dai raggi cosmici, muta mentre esse sprofondano nell’atmosfera. Per questo, per poterne studiare le caratteristiche originarie, da sempre i fisici portano i loro strumenti in alta quota. Carl Anderson usava la camera a nebbia, uno strumento studiato da Charles Wilson, che permetteva di fotografare la traccia lasciata in un gas dalle particelle prodotte dai raggi cosmici. Nata per studiare la formazione delle nuvole, consisteva di un cilindro riempito d’aria, chiuso all’estremità da un pistone. Lo spostamento veloce del pistone causava un’espansione del volume della camera con un conseguente calo di temperatura dell’aria satura di vapore acqueo, e questo induceva la formazione di minuscole gocce liquide. Wilson aveva scoperto che le cariche elettriche (ioni) prodotte dal passaggio delle particelle nel gas agivano da centri di condensazione.

3.
Il lancio dall’Antartico di un moderno pallone stratosferico. Sgonfio, il pallone è alto come la torre Eiffel, mentre gonfio ha un diametro di 176 metri. Tra gli obiettivi dell’esperimento Bess-Polar c’è quello di chiarire il puzzle dell’asimmetria materia-antimateria studiando l’antimateria nei raggi cosmici.

4.
Lord Rutheford definì la camera a nebbia o di Wilson “il più originale e meraviglioso strumento della storia della scienza”. Nella camera a nebbia la radiazione entra in una camera di espansione che contiene un gas saturo di vapor d’acqua. L’espansione causata dal pistone raffredda il gas e si formano gocce di vapore attorno agli ioni prodotti dal passaggio delle particelle. La camera a bolle (vd. fig. 4), che valse il premio Nobel a Glaser nel 1960, è lo strumento complementare alla camera a nebbia. Levando il tappo a una bottiglia d’acqua minerale, abbassiamo la pressione e si formano bolle di gas. Nella camera a bolle un liquido è mantenuto a una temperatura prossima al punto di ebollizione. Se la pressione è tolta rapidamente dalla camera con il movimento del pistone il liquido avrà la tendenza a bollire. La particella che attraversa il liquido genera degli ioni sul suo tragitto e questi agiscono da punti di origine di piccole bolle. Una fotografia potrà riprendere la traccia e l’interazione della particella come se si trattasse di un fuoco d’artificio.

c.
Il laboratorio Berkeley come appariva nel 1955. Il Bevatron si trova sotto la cupola centrale.

d.
Da sinistra Emilio Segrè, Clyde Wiegand, Edward Lofgren, Owen Chamberlain e Thomas Ypsilantis, i componenti del gruppo che scoprì l’antiprotone. Lofgren era responsabile dell’acceleratore.

e.
Un antiprotone (traccia colorata artificialmente in azzurro) entra in una camera a bolle dal basso e colpisce un protone. L’energia rilasciata nell’annichilazione produce quattro particelle positive (pioni in rosso), quattro particelle negative (pioni in verde). La traccia gialla è un muone, prodotto di decadimento di uno dei pioni da cui ha origine. I ricci blu sono prodotti da elettroni di bassa energia, da reazioni che non hanno a che vedere con l’antiprotone.

f.
L’evento chiamato “Faustina”, trovato nel febbraio 1955 dal gruppo di ricerca guidato da Edoardo Amaldi in una delle emulsioni fotografiche esposte ai raggi cosmici durante la spedizione in Sardegna del 1953, è interpretabile come processo di “produzione, cattura e annichilamento di un protone negativo”.

g.
Questa immagine, ottenuta nel 1958 nella camera a bolle di Berkeley, dimostra l’esistenza dell’antineutrone, l’antiparticella del neutrone. Nel punto segnato dalla freccia nera un antiprotone prodotto dall’acceleratore subisce una reazione di scambio della carica. L’antineutrone prodotto non lascia una traccia visibile, percorre una decina di centimetri prima di annichilare in una caratteristica stella di annichilazione. L’energia rilasciata è consistente con quella che ci si aspetta quando le massa a riposo di un neutrone e di un antineutrone vengono convertite in energia.

h.
L’esperimento Cuore presso i Laboratori del Gran Sasso dell’Infn, di cui qui vediamo una colonna, è un rivelatore modulare costituito da 1.000 cristalli di ossido di tellurio disposti in una matrice quadrata di 25 colonne, ciascuna delle quali contiene 40 cristalli di TeO₂ di 5x5x5 cm³. Questi, a una temperatura di ca. 7-10 mK, molto vicino allo zero assoluto, fungono sia da rivelatore che da sorgente di ¹³⁰Te. L’esperimento permetterà di studiare con grande sensibilità il decadimento raro, con due elettroni senza neutrino, del ¹³⁰Te. La misura delle caratteristiche di questo decadimento senza neutrini indicherà se il neutrino è una particella di Majorana e aiuterà a spiegare l’asimmetria particella-antiparticella nell’Universo. L’osservazione di questo decadimento avrà sulla fisica, sull’astrofisica e sulla cosmologia un impatto molto profondo.

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Realizzato per la prima volta con singoli antielettroni il classico esperimento della doppia fenditura: viene così dimostrato in modo diretto che il dualismo onda-particella vale anche per l’antimateria.

Anche il positrone, ossia la corrispondente antiparticella dell’elettrone, ha una doppia natura: è sia onda che particella. Questa sua caratteristica è stata ricavata osservando per la prima volta l’interferenza di onde di antimateria con singoli positroni, e conferma che le leggi della meccanica quantistica valgono anche per l’antimateria.

Si tratta della versione con singole particelle di antimateria del classico esperimento di interferenza della doppia fenditura, realizzato per la prima volta con fotoni da Thomas Young, proposto poi a livello concettuale con singole particelle da Albert Einstein, e quindi realizzato con singoli elettroni da Gian Franco Missiroli, Pier Giorgio Merli e Giulio Pozzi e pubblicato nel 1976.

I ricercatori del Politecnico di Milano, dell’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, dell’Università degli Studi di Milano e del Centro Albert Einstein (AEC) per la Fisica Fondamentale e Laboratorio di Fisica delle Alte Energie (LHEP) dell’Università di Berna, sono, infatti, riusciti nella sofisticata impresa di realizzare l’esperimento impiegando singoli positroni.

“I grandi successi non si ottengono solo nei grandi laboratori, - commenta Rafael Ferragut, responsabile del Laboratorio Positroni L-NESS del Politecnico di Milano a Como, che ospita l’esperimento – questo risultato è il frutto del lavoro tenace ed entusiasta di un piccolo gruppo di ricercatori appassionati”.

Nell’esperimento, che si basa sulla tecnica dell’interferometria, ‘le onde’ di antimateria, generate da un singolo positrone, quando interferiscono costruttivamente collassano e si localizzano in un punto, comportandosi come ‘una singola particella’, e vengono così rivelate, dimostrando per la prima in modo diretto che il dualismo onda-particella vale anche per l’antimateria. Lo studio è stato pubblicato il 3 maggio, su Science Advances.

“Il successo di questo nostro esperimento apre la strada dell’interferometria quantistica per sistemi con antimateria”, sottolinea Marco Giammarchi, ricercatore della sezione INFN di Milano e responsabile della collaborazione QUPLAS (Quantum interferometry with Positrons and LASers) che ha realizzato l’esperimento.

Nel classico esperimento della doppia fenditura, un fascio di particelle viene lanciato da una sorgente a un rivelatore. Nel corso del tragitto sono poste delle grate con due fenditure attraverso le quali passano le particelle. Se le particelle si comportassero solo come particelle, allora viaggerebbero in linea retta e produrrebbero sul rivelatore un disegno corrispondente alle fenditure. Ma se le particelle hanno una natura ondulatoria, sul rivelatore allora appare una figura a strisce, con diversi massimi e minimi, che non corrisponde alle fenditure. La nuova figura è generata dall’interferenza delle onde che passano attraverso le fenditure.

L’esperimento della collaborazione QUPLAS

Dal punto di vista concettuale, per interpretare il risultato dell’esperimento è, quindi, necessario considerare che una singola particella si propaghi nello spazio anche come una vibrazione periodica, ossia come un’onda: un concetto introdotto da Louis de Broglie nel 1923. Dal punto di vista tecnico, per la sua realizzazione, i ricercatori hanno progetto e implementato un apparato estremamente accurato e di altissima precisione.

“Dimostrare l’interferenza di particella singola è stato possibile grazie a tre elementi cruciali: un fascio di positroni a particella singola, un interferometro in modalità Talbot-Lau progettato appositamente, e le emulsioni nucleari come rivelatore di alta risoluzione”, spiega Simone Sala, dell’Università degli Studi di Milano, la cui tesi di dottorato è incentrata su questo esperimento.

“Siamo molto soddisfatti che le emulsioni nucleari si siano dimostrate una soluzione vincente per il successo del nostro esperimento e che abbiano potuto trovare ancora una volta applicazione in un progetto rilevante”, sottolinea Ciro Pistillo, dell’AEC e del LHEP di Berna.

L’esperimento consiste, infatti, di tre elementi principali: il fascio, l’interferometro e il rivelatore. Il fascio di positroni singoli di energia ben determinata è stato collimato per migliorarne la qualità di parallelismo. L’interferometro consiste in due serie di fenditure micrometriche con un alto grado di parallelismo e periodicità. La prima serie di fenditure è stata utilizzata per dare coerenza alle onde singole. In seguito, le onde si propagano nello spazio per una certa distanza sino ad arrivare alla seconda serie di fenditure dove formano fronti di onde secondarie. Queste onde interferiscono fra loro in modo costruttivo o distruttivo formando una figura o diagramma di interferenza sulle emulsioni posizionate più distanti. L’originalità di aver usato una configurazione asimmetrica dell’interferometro consente di avere un ingrandimento, pari a cinque volte, della periodicità rispetto alla prima fenditura. In questo modo, la periodicità presente nella figura di interferenza ottenuta sulle emulsioni è stata di circa 6 micrometri. Si è trattato di un lavoro di estrema accuratezza. Per due anni sono stati raccolti dati, e parallelamente sono stati apportati miglioramenti all’interferometro, sino a riuscire a vedere la risonanza con un segnale di alta visibilità. Per ogni misura è stata accumulata una statistica di circa venti milioni di positroni sulle emulsioni, uno alla volta, per un tempo di circa 8 giorni. L’andamento della visibilità delle frange in funzione dell’energia dimostra inequivocabilmente la natura quantistica dell’interferenza.

Ora, l’obiettivo a lungo termine dell’esperimento è utilizzare la straordinaria accuratezza dell’interferometria per misurare l’interazione gravitazionale materia-antimateria.

Lo specchio dell’universo rivela una nuova imperfezione. Alcune particelle gemelle si sono scomposte in forme diverse, mentre avrebbero dovuto mantenere la propria uguaglianza anche in questa trasformazione. Il fenomeno è stato osservato da un gruppo di scienziati, con una vasta partecipazione di fisici dell’Infn, all’esperimento Lhcb dell’acceleratore di particelle Large Hadron Collider al Cern di Ginevra, diretto da Pierluigi Campana. Lo studio, che viene pubblicato su Physics Review Letter, ha osservato questo comportamento in un tipo di particelle chiamato mesoni B_s, composti da un cosiddetto quark “bello” (beauty) e da un quark “strano” (strange). Per la prima volta, l’esperimento Lhcb è stato in grado di osservare una differenza - un’asimmetria di comportamento - tra i decadimenti dei mesoni B_s e delle loro particelle gemelle (ma con cariche opposte) di antimateria, i mesoni anti-B_s.

Grazie alle collisioni che si realizzano all’interno di un acceleratore di particelle, qual è Lhc, oggi i fisici sono in grado di produrre quotidianamente migliaia di miliardi di particelle di antimateria. E possono studiare con precisione il loro comportamento, confrontandolo con quello delle gemelle di materia. Se particelle e antiparticelle avessero proprietà esattamente speculari - nel gergo tecnico dei fisici: se la simmetria CP fosse esattamente conservata - non vi sarebbe motivazione apparente per giustificare la scomparsa dell’antimateria dall’universo. Senonché, negli esperimenti si osservano piccole asimmetrie di comportamento tra materia e antimateria. Ricostruendo un campione di circa 1065 decadimenti di questi mesoni, Lhcb ha rivelato che in 676 casi i mesoni anti-B_s scompaiono (in gergo tecnico “decadono”) producendo una coppia di mesoni K e pioni, rispettivamente carichi positivamente e negativamente. Ci si aspettava che i mesoni B_s di materia ordinaria producessero anche loro un numero uguale di decadimenti identici (con cariche invertite). Invece è accaduto solo in 389 casi. Una bella differenza.

“L’entità di questa asimmetria di comportamento è molto grande – spiega Vincenzo Vagnoni dell’Infn di Bologna e uno dei firmatari dell’articolo - e la misura effettuata da Lhcb apre un nuovo settore d’indagine che potrà portare, con l’aumento della precisione statistica, una migliore comprensione dei fenomeni alla base della violazione della simmetria CP, e possibilmente alla scoperta di nuovi effetti che possano finalmente spiegare il mistero della scomparsa di antimateria dal nostro universo”.