Il superacceleratore Lhcì continua a regalare scorci nuovi sulla natura alla scala subnucleare. Nell’ambito dell’esperimento Alice, una delle quattro macchine fotografiche grandi come cattedrali che al Cern di Ginevra sbirciano i segreti dell’infinitamente piccolo, un team di fisici italiani dell’Infn ha verificato l’uguaglianza di una proprietà fondamentale di materia e antimateria nucleare, la massa, a un livello di precisione mai raggiunto prima. La ricerca si è guadagnata la pubblicazione su Nature Physics, la prima per Alice su questa prestigiosa rivista.

Grazie all’abbondante produzione di nuclei leggeri nelle collisioni tra nuclei pesanti di piombo, l’esperimento Alice è riuscito a selezionare un campione di un milione di nuclei di antideuterio e di migliaia di nuclei dell’isotopo leggero dell’antielio, e a misurare la differenza di massa con i corrispondenti nuclei di materia. Questa differenza, entro le incertezze sperimentali, è risultata pari a zero. La misura conferma la validità di una simmetria fondamentale della natura, la simmetria CPT (carica, parità, tempo), in base alla quale se esiste un nucleo, allora esiste anche un antinucleo con la stessa massa, ma carica opposta.

“È un risultato che dimostra le straordinarie possibilità aperte da esperimenti come Alice: il fatto di disporre di uno strumento cosi sofisticato per osservare la struttura della materia permette di effettuare misure molto diverse fra loro. Dobbiamo sempre essere pronti a possibili sorprese!”, sottolinea Paolo Giubellino, spokesperson di Alice.

Le indagini volte 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. L’antimateria è la controparte speculare della materia. Un concetto che sembra lontano dal senso comune. Eppure, è entrata ormai nelle vite quotidiane. Basti pensare alla Pet (Tomografia a Emissione di Positroni), dove la lettera “P” indica proprio un pezzetto di antimateria, il positrone, cioè l’antiparticella dell’elettrone.

Storicamente, il primo scienziato a prevedere l’esistenza e il comportamento delle antiparticelle fu Paul Adrien Maurice Dirac, premio Nobel per la fisica nel 1933. La scoperta delle antiparticelle - la prima fu proprio il positrone, nel 1932, grazie a Carl Anderson - però, da sola non dimostra l’esistenza di stati di antimateria aggregata, cioè formata da antiparticelle, come avviene per le particelle ordinarie che costituiscono la materia. La parola antimateria, infatti, non solo implica l’esistenza delle antiparticelle previste dalla teoria di Dirac, ma anche che queste interagiscano fra loro in modo totalmente simmetrico rispetto a quanto avviene per la materia ordinaria. Solo nel marzo del 1965, al Cern, grazie al gruppo di Antonino Zichichi arriva la prova sperimentale dell’esistenza dell’antimateria nucleare, con la scoperta dell’antideuterio e la misura della sua massa. Successivamente, vengono osservati anche altri antinuclei leggeri (antitrizio, antielio e antialfa).

“La scoperta del primo esempio di antimateria nucleare - afferma Antonino Zichichi, project leader del rivelatore Tof (Time of Flight, letteralmente tempo di volo) in Alice - è avvenuta al Cern, nel 1965, usando un fascio di antiprotoni della maggiore intensità mai raggiunta prima, e una tecnologia da record per la misura del tempo di volo. La scoperta dell’antimateria ha costituito la prova fondamentale che se l’universo è fatto esclusivamente di materia, ciò non accade perché l’antimateria non esiste e non fa parte della logica dell’universo, ma per via di altre fondamentali leggi e fenomeni della natura ancora da scoprire. Ciò ha portato Heisenberg a dire - nel suo libro The Physicist’s Conception of Nature - che questa scoperta dell’antimateria è stata forse il più grande balzo in avanti della fisica del XX secolo".

Per ripetere con maggiore precisione questa misura, fisici di Alice hanno utilizzato un rivelatore la cui costruzione e messa a punto, con finanziamenti Infn, è interamente sotto responsabilità delle sezioni Infn di Bologna e Salerno e del Centro studi e ricerche Enrico Fermi di Roma. Si tratta proprio del rivelatore Tof, un grande cronometro alla frontiera della tecnologia. Il tempo di volo è la misura del tempo che impiega una particella prodotta in una collisione a raggiungere il rivelatore, a circa 4 m di distanza. Il rivelatore Tof misura con grande accuratezza questo tempo, grazie alle cosiddette Multigap Resistive Plate Chamber (Mrpc), camere sviluppate dai gruppi italiani e capaci di ottenere risoluzioni temporali di 80 picosecondi (80 millesimi di miliardesimi di secondo), su una superficie di 144 mq, grande quanto un campo di pallavolo. La particella di luce, il fotone, impiega ad esempio poco più di 10 nanosecondi, 10 miliardesimi di secondo, a raggiungere il rivelatore. I nuclei di antideuterio analizzati dal team di Alice, invece, vanno un po’ più lenti, in media il 30% più piano, e i fisici li identificano proprio perché arrivano 5 nanosecondi dopo la luce. Conoscendone l’energia (più precisamente la quantità di moto), attraverso la misura del loro ritardo si può misurare con grande precisione la loro massa.

La misura di Alice si collega a quella effettuata 50 anni fa dal gruppo guidato da Antonino Zichichi, migliorando sensibilmente la precisione nella stima della differenza in massa di nuclei e antinuclei, fino ad arrivare a una parte su 10.000 nel caso dell’antideuterio e una parte su 1000 per l’antielio. In genere, misure di questo tipo richiedono esperimenti dedicati. Al contrario, nel caso di Alice la misura è stata effettuata nell’ambito di un programma di ricerca focalizzato su uno studio completamente diverso: la produzione e l’analisi di un plasma di quark e gluoni simile a quello prodotto nei primi istanti successivi al Big Bang. Ciò è stato possibile, non solo in virtù del grande numero di dati disponibili, ma anche grazie alle ottime capacità dell’esperimento, ai limiti della tecnologia esistente, di tracciare e identificare l’elevatissimo numero di particelle prodotte nelle collisioni.

Lo studio appena pubblicato su Nature Physics, non solo conferma che esiste l’antimateria aggregata, come dimostrato 50 anni fa, ma che si comporta, con una precisione di una parte su 10.000, in modo analogo a quella ordinaria.

[as] news

Piombo contro piombo Aprile 2011

Dallo scorso novembre fino alla pausa natalizia, per il superacceleratore Lhc di Ginevra, è stato il "mese dei nuclei". La mattina dell'8 novembre 2010 gli esperimenti Alice, Atlas e Cms hanno iniziato a registrare le prime collisioni tra nuclei di piombo. A causa dell'elevata energia dell'urto e della compressione che subiscono nello scontro i 208 protoni e neutroni che compongono ciascun nucleo, si sono formate delle "sfere" con una densità di materia mai raggiunta finora in nessun acceleratore e una temperatura elevatissima: oltre centomila volte quella del nucleo del Sole. I risultati non si sono fatti attendere: sono stati visti, infatti, indizi del cosiddetto "brodo primordiale" o "plasma di quark e gluoni", cioè lo stato della materia che si creò subito dopo il Big Bang. Solitamente le collisioni producono getti di particelle in modo simmetrico in tutte le direzioni. Durante le collisioni piombo-piombo a Lhc si sono osservati, invece, getti di particelle sbilanciati. Questa asimmetria potrebbe indicare l'esistenza del plasma di quark e gluoni, perché i getti di particelle si attenuano maggiormente quanta più materia calda e densa attraversano. Il mese degli ioni è stato quindi un successo. [A.V.]

Si parte! Aprile 2011

È stato approvato dal Ministero dell'Istruzione, Università e Ricerca italiano (Miur) il progetto SuperB. Il programma di ricerca, proposto e sostenuto dall'Infn e inserito dal Governo fra i progetti bandiera contenuti nel Pnr (Programma Nazionale della Ricerca), prevede la realizzazione in Italia di un collisore a elettroni e positroni per la ricerca fondamentale, che permetterà studi complementari rispetto a quelli di Lhc. Come Lhc, anche SuperB indagherà la supersimmetria, ad esempio, ma lo farà con una tecnica diversa. Gli scontri tra elettroni in SuperB avverranno a un'energia di molto inferiore rispetto a quella tra protoni in Lhc, ma saranno così tanti da consentire ai ricercatori di "vedere" eventi rarissimi. I raggi X prodotti dai fasci di SuperB permetteranno applicazioni nel campo della biologia e della chimica e nei settori delle nanotecnologie, dei beni culturali e della diagnostica medica. Il progetto nel suo complesso richiederà un investimento di circa 400 milioni di euro, in parte provenienti dall'Italia, in parte dagli altri Paesi che fanno parte della collaborazione internazionale. Il Miur ha già stanziato una prima tranche di 19 milioni di euro e il progetto è quindi ora pronto per partire. [A.V.]

Trappole per l'antimateria Aprile 2011

Non vogliono portare l'antimateria a distruggere il Vaticano, come nel famoso libro Angeli e demoni di Dan Brown, anche perché scientificamente sarebbe impossibile, ma al Cern di Ginevra i fisici sono riusciti a intrappolarla in due tipi di esperimenti differenti. Con l'esperimento Alpha, grazie a magneti potentissimi, sono riusciti a intrappolare ben 38 atomi di anti-idrogeno per un paio di decimi di secondo prima che si disintegrassero. L'esperimento Asacusa, invece, a cui partecipa anche l'Infn, seguendo una strada diversa, ha bombardato gli antiatomi di idrogeno con microonde. Questa nuova "trappola" per l'antimateria si chiama Cusp e funziona grazie a una combinazione di campi magnetici che costringono antiprotoni e positroni a stare insieme per formare atomi di anti-idrogeno. Lo scopo futuro di Asacusa sarà quello di capire se gli antiatomi reagiscono in maniera diversa rispetto agli atomi o se la simmetria tra materia e antimateria resta inviolata. [C. P.]

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Notizie dalla stazione spaziale
Antimateria e materia oscura al vaglio di Ams

di Bruna Bertucci

 

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Un selfie scattato in orbita da un astronauta: in alto a sinistra è visibile l’esperimento Ams-02 installato sulla struttura della Iss.

“[...] dobbiamo considerare un puro caso, che la Terra (e presumibilmente l’intero sistema solare) contenga una preponderanza di elettroni negativi e di protoni positivi. Tuttavia, è possibile che per alcune stelle valga il contrario, ossia che esse siano costituite principalmente da positroni (elettroni positivi, ndr) e protoni negativi...”. Terminò così, Paul Dirac, il discorso in occasione del conferimento del premio Nobel il 12 dicembre del 1933.
La conclusione del discorso di Dirac rappresenta idealmente il punto di partenza per l’avventura dell’Alpha Magnetic Spectrometer (Ams-02), a cui partecipano per l’Italia l’Infn e l’Asi (Agenzia Spaziale Italiana), uno strumento che ora si trova sulla Stazione Spaziale Internazionale (Iss) concepito per cercare proprio i deboli segnali di antiparticelle di materia nel flusso ininterrotto dei raggi cosmici che popola lo spazio attorno alla Terra.
La ricerca di questi segnali che appartengono all’infinitamente piccolo può infatti fornire gli indizi necessari a risolvere alcuni dei misteri ancora insoluti dell’infinitamente grande: l’universo.
Il primo mistero è legato alla predominanza di particelle di “materia” attorno a noi (la bariogenesi): dove sono finite le particelle di antimateria? Nei primi istanti di vita dopo il Big Bang siamo infatti portati a supporre che l’universo fosse “simmetrico”, ossia popolato in egual misura di particelle elementari di materia e delle loro antiparticelle. La loro naturale e violenta annichilazione ha apparentemente condotto alla scomparsa dell’intera popolazione di antiparticelle e l’universo si sarebbe quindi evoluto a partire dalle particelle di materia – una 26 > 27 parte su un miliardo – sopravvissute all’annichilazione. Non esistono ad oggi giustificazioni teoriche sufficienti a spiegare la nascita di quest’asimmetria. Trovare quindi dei nuclei di anti-elio o di elementi più pesanti, che non possono essere prodotti naturalmente in un universo fatto di sola materia, aprirebbe un nuovo scenario in cui l’antimateria non sarebbe scomparsa, ma solo confinata in regioni dell’universo lontane dalla Terra.
Il secondo mistero è la natura della materia che compone il nostro universo. Solo il 5% del contenuto di massa-energia del nostro universo è attribuibile alla materia ordinaria di cui siamo fatti, sostanzialmente protoni, neutroni ed elettroni, mentre circa il 22% è rappresentato da particelle di materia oscura, nuove specie di particelle elementari debolmente interagenti con la materia ordinaria e quindi “invisibili” ai telescopi sensibili alla luce prodotta dalle interazioni elettromagnetiche della materia. Ma da rare collisioni di particelle di materia oscura (che scontrandosi tra di loro si auto-annichilano), possono essere generati fotoni, particelle e antiparticelle di materia ordinaria (elettroni/positroni, protoni/antiprotoni), il cui flusso si sovrappone a quello dei raggi cosmici. Pur esistendo diverse teorie e ipotesi sulla natura della materia oscura e molte incertezze sul numero di collisioni attese, in tutti gli scenari possibili i flussi di particelle prodotti dalle collisioni di materia oscura sono di diversi ordini di grandezza più piccoli rispetto a quelli delle par ticelle dei raggi cosmici, prevalentemente protoni, nuclei di elio ed elementi più pesanti con una piccola percentuale (1%) di elettroni. L’unica speranza per individuare un segnale di materia oscura sono i flussi di antiparticelle, particolarmente deboli nei raggi cosmici ordinari. Abbondanze di circa un antiprotone ogni 10.000 protoni e di un positrone ogni 10 elettroni sono attese a causa delle collisioni dei raggi cosmici con il mezzo interstellare: questi flussi possono essere paragonabili a quelli attesi dalla materia oscura e costituiscono quindi un “fondo” contro cui lottare ad armi pari nella caccia a nuovi fenomeni. Sperimentalmente, la prima sfida nel cercare segnali deboli come le particelle di antimateria richiede di intercettare i raggi cosmici prima che essi abbiano la possibilità di interagire con l’atmosfera terrestre, generando un flusso di particelle di antimateria che potrebbero falsare la misura. Per questo motivo i rivelatori dedicati a questo tipo di ricerca sono inviati negli strati superiori dell’atmosfera con palloni aerostatici o messi in orbita nello spazio con satelliti, come Pamela o Fermi, o a bordo della Iss, come Ams-02. La seconda sfida è quella di riuscire a raccogliere un campione significativo di particelle. Il numero di antiparticelle atteso alle energie interessanti per identificare nuovi fenomeni è di poche centinaia di eventi all’anno per superfici esposte dell’ordine del metro quadro. Tuttavia, i limiti di peso e potenza elettrica per far funzionare uno strumento nello spazio impediscono di aumentare a piacimento le dimensioni degli apparati. Per tanto, l’unica alternativa è quella di progettare strumenti in grado di operare con alta ef ficienza per anni.

 

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L’esperimento Ams-02 al Kennedy Space Center della Nasa poco prima del suo inserimento nel vano di carico dello Shuttle Endeavour.

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Lo Shuttle Endeavour, che nel 2011 ha portato Ams-02 sulla Iss, sulla rampa di lancio del Kennedy Space Center di Cape Canaveral, in Florida.

[as] approfondimento
Positroni di troppo

1. Elaborazione grafica della misura effettuata da Ams-02 della frazione di positroni rispetto alla somma di elettroni e positroni (punti rossi). In azzurro l’andamento atteso dai raggi cosmici. La curva verde è quella che meglio descrive i dati sperimentali.

Come si vede in fig. 1, la frazione di positroni osservata da Ams-02 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 produzione “standard” di positroni nella radiazione cosmica. L’eccesso osservato di positroni appare isotropo (cioè ha la stessa intensità qualunque sia la direzione di osservazione) entro un’incertezza del 3%, suggerendo che non ci siano direzioni particolari da cui nasce questo eccesso di positroni. Un'analisi dettagliata della frazione di positroni con l’energia mostra un andamento graduale del suo tasso di crescita, escludendo variazioni improvvise, picchi o avvallamenti, e sembra indicare il raggiungimento di un valore massimo a energie attorno ai 275 GeV. Continuando l’osservazione nei prossimi anni, la misura sarà estesa a energie ancora superiori e questo potrà aiutarci a migliorare la comprensione della natura del fenomeno osservato e descriverne ancora più accuratamente le sue caratteristiche.

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I risultati della collaborazione internazionale Alpha Magnetic Spectrometer (Ams), il cacciatore di antimateria installato dal 2011 sulla Stazione Spaziale Internazionale (Iss), saranno da oggi al centro della tre giorni "Ams Days at Cern", che vede coinvolti alcuni tra i più importanti fisici teorici e sperimentali a livello mondiale, tra cui i responsabili dei più importanti esperimenti dedicati allo studio della fisica dei raggi cosmici. L'obiettivo primario delle giornate è comprendere il significato dei più recenti risultati di Ams e confrontarlo con quelli degli altri esperimenti e con le teorie oggi più accreditate sulla fisica dei raggi cosmici.

In particolare, Ams presenta la nuova misura di precisione del rapporto tra il flusso di antiprotoni e di protoni nei raggi cosmici, risultato che mostra per la prima volta una inattesa abbondanza di antiprotoni a energie di centinaia di GeV. Questa misura risulta complementare alla misura di precisione del flusso di antielettroni (positroni) pubblicata da Ams nel 2014, che evidenzia anch’essa un eccesso di antimateria ad alta energia. L’inaspettata abbondanza dell’antimateria nei raggi cosmici di alta energia potrebbe essere dovuta a un nuovo fenomeno fisico di tipo fondamentale. Saranno inoltre presentate le misure di precisione del flusso di protoni e di nuclei di elio fino a energie superiori al teraelettronvolt.

Gli attuali modelli delle interazioni dei raggi cosmici ordinari con la materia interstellare non possono spiegare questi nuovi risultati di Ams: queste osservazioni forniscono informazioni importanti sui meccanismi di produzione e di propagazione dei raggi cosmici. Anche se non è ancora possibile escludere che i risultati siano riconducibili all'esistenza di nuove sorgenti astrofisiche o a nuovi meccanismi di accelerazione e propagazione, tuttavia i più recenti risultati di Ams potrebbero essere interpretabili come l’effetto di collisioni tra particelle di materia oscura, e quindi una possibile evidenza indiretta della sua esistenza e della sua natura particellare.

Ams, al quale l’Italia partecipa con l’Infn e l’Asi, è l'unico esperimento di fisica delle particelle presente sulla Iss e il suo livello tecnologico è tale da permetterne la lunga permanenza nell’ambiente ostile dello spazio. Nei suoi primi quattro anni di orbita, agganciato esternamente alla stazione spaziale, il rivelatore ha raccolto più di 60 miliardi di eventi di raggi cosmici (elettroni, positroni, protoni, antiprotoni e nuclei di elio, litio, boro, carbonio, ossigeno,...) fino a energie dell’ordine del TeV.

“Siamo eccitati per questi risultati che presentano un quadro difficilmente interpretabile nell’ambito della fisica tradizionale dei raggi cosmici. Questo straordinario rivelatore che opera nello spazio e al quale l’Italia ha contribuito in maniera molto significativa anche grazie al ruolo dell’industria nazionale, ci sta portando, con l’estensione dei risultati già ottenuti dal rivelatore spaziale Pamela e raggiungendo energie molto più alte, alla soglia di una possibile importante scoperta. Aspettiamo con trepidazione i futuri risultati”, è il commento di Fernando Ferroni, presidente dell'Infn.

L’identificazione diretta di antimateria, in particolare di positroni e antiprotoni, nella radiazione cosmica è determinante per lo studio di fenomeni non ancora noti. Piccole quantità di antimateria, infatti, possono essere generate nell’urto tra le particelle che compongono la radiazione cosmica e le polveri interstellari, ma i primi risultati di Ams su elettroni e positroni, già pubblicati sulla rivista Physical Review Letters nel settembre del 2014, indicano l’esistenza di una nuova sorgente di questa componente di antimateria rispetto a quanto previsto dalla loro produzione “standard” nella radiazione cosmica. Durante la tre giorni al Cern, insieme a nuovi risultati sulle misure del rapporto tra antiprotoni e protoni, sul flusso di protoni, nuclei di elio e altri nuclei, saranno discussi anche risultati più precisi e a più alta energia sulla componente a elettroni e positroni.

Per comprendere estensivamente questi risultati è necessaria una conoscenza approfondita del processo coinvolto nelle collisioni di raggi cosmici. Il confronto delle osservazioni di Ams con i risultati dei principali esperimenti per lo studio dei raggi cosmici (IceCube, Pierre Auger Observatory, Fermi-Lat, Magic, Hess e Cta, Jem-Euso e Iss-Cream) fornirà importanti contributi alla comprensione della produzione di raggi cosmici e dei loro meccanismi di propagazione. Ams continuerà a operare per tutta la vita della Stazione Spaziale Internazionale, fino al 2024, raccogliendo e analizzando un volume crescente di dati a energie più elevate e rendendo così disponibile una ingente quantità di informazioni.

Per approfondire leggi anche: https://www.asimmetrie.it/index.php/notizie-dalla-stazione-spaziale

La collaborazione T2k (Tokai to Kamioka), ha presentato oggi, a Chicago, alla 38° International Conference on High Energy Physics (Ichep), nuovi risultati che indicano con crescente chiarezza che i fenomeni di oscillazione non sono ugualmente probabili per i neutrini e per le loro antiparticelle (gli antineutrini). T2k ha osservato che il numero di antineutrini muonici che oscillano in antineutrini elettronici è inferiore rispetto a quello dei neutrini muonici oscillanti in neutrini elettronici. I risultati sono però preliminari e necessitano di ulteriori conferme. Questi dati hanno destato molta attenzione poiché comportamento diverso dei neutrini (materia) rispetto agli antineutrini (antimateria) potrebbe costituire l’ingrediente cruciale per rispondere a una delle questioni più importanti su cui la fisica contemporanea si confronta. Perché nel nostri universo ha prevalso la materia sull’antimateria? Per poter stabilire se ci troviamo davanti a una nuova scoperta sarà necessario aspettare nuove conferme e maggiore statistica. Come funziona: per misurare questo fenomeno nell’esperimento T2K, un potente fascio di neutrini (o anti-neutrini) muonici viene prodotto nel complesso di acceleratori per la ricerca (JPARC) presso il villaggio di Tokai sulla costa orientale del Giappone. I neutrini vengono prima misurati vicino nel luogo di produzione e poi inviati in direzione del gigantesco rivelatore sotterraneo Super-Kamiokande, a Kamioka, nei pressi della costa occidentale del Giappone, a 295 kilometri di distanza. Durante questo tragitto i neutrini (o gli antineutrini) muonici possono “oscillare”, trasformandosi in neutrini (o antineutrini) di tipo elettronico. T2K ha trovato che il numero di anti-neutrini muonici che oscillano in antineutrini elettronici è inferiore rispetto a quello dei neutrini muonici oscillanti in neutrini elettronici. [Eleonora Cossi]

L’esperimento Asacusa al Cern di Ginevra è riuscito per la prima volta a produrre un fascio intero di atomi di anti-idrogeno. Il risultato è presentato in un articolo pubblicato su Nature Communications, nel quale la collaborazione scientifica spiega di aver rivelato in modo inequivocabile 80 atomi di anti-idrogeno 2,7 metri a valle della sorgente. Per studiare l'antimateria, la collaborazione Asacusa ha sviluppato una tecnica innovativa: produrre un fascio di antiparticelle in modo da studiare gli antiatomi “in volo”, lontano dai campi magnetici, per mezzo dei quali fino ad ora venivano "intrappolati". “Il risultato appena pubblicato – spiega Luca Venturelli dell’Infn di Brescia e dell’Università di Brescia che coordina il gruppo italiano della collaborazione – rende molto più concreta e vicina la possibilità di realizzare misure di precisione con gli atomi di anti-idrogeno. E sondare le caratteristiche dell’antimateria – prosegue Venturelli – può aiutare a risolvere uno dei grandi misteri della fisica moderna: la prevalenza di materia rispetto all’antimateria nell’universo visibile”. [Antonella Varaschin]

Sospetti di materia oscura?
Intervista a Piergiorgio Picozza.
di Antonella Varaschin

A un anno di distanza la collaborazione T2k (Tokai to Kamioka), cui l’Infn partecipa da anni ricoprendo ruoli di responsabilità, presenta nuovi importanti risultati sull’asimmetria nelle oscillazioni dei neutrini e degli antineutrini.

Nell’agosto 2016 a Chicago, alla 38° International Conference on High Energy Physics la collaborazione T2k aveva annunciato le prime indicazioni di una possibile asimmetria nei fenomeni relativi alle oscillazioni di neutrini e delle loro antiparticelle (antineutrini). I dati indicavano che i fenomeni di oscillazione non sono ugualmente probabili per i neutrini e per le loro antiparticelle (antineutrini). Benché non si potesse ancora parlare di “scoperta”, i risultati avevano destato grande interesse nella comunità scientifica internazionale. Infatti, l’esistenza di questo fenomeno in cui materia e antimateria si comportano in modo diverso potrebbe spiegare perché l’universo che ci aspettavamo fosse composto, subito dopo il Big Bang, da materia e antimateria, sia oggi costituito quasi esclusivamente dalla prima. I nuovi risultati, presentati per la prima volta il 4 agosto 2017 presso il laboratorio per la fisica delle alte energie di Kek, basati su un campione di dati di neutrino raddoppiati rispetto all’anno precedente, hanno non solo confermato, ma fortemente rafforzato l’ipotesi annunciata la scorsa estate.

“La probabilità che l’effetto misurato da T2k sia dovuto a una fluttuazione statistica è ormai inferiore a 1 su 20 rendendo sempre più concreta la possibilità di essere vicini a una grande scoperta,“ commenta Gabriella Catanesi, responsabile nazionale di T2k per l’Infn e membro del comitato esecutivo che governa la collaborazione. Nei prossimi anni, con una statistica 7 volte maggiore, T2k potrebbe gettare luce su uno dei grandi misteri dell’universo e aprire la strada agli esperimenti con neutrini della prossima generazione attualmente in preparazione (Hyper-k, Dune), da cui ci attendiamo ulteriori grandi sorprese.

Per misurare questo fenomeno nell’esperimento T2k, un potente fascio di neutrini (o antineutrini) muonici viene prodotto nel complesso di acceleratori per la ricerca (Jparc) presso il villaggio di Tokai sulla costa orientale del Giappone. I neutrini vengono prima misurati vicino nel luogo di produzione e poi inviati in direzione del gigantesco rivelatore sotterraneo Superkamiokande, a Kamioka, nei pressi della costa occidentale del Giappone, a 295 kilometri di distanza. Durante questo tragitto i neutrini (o gli antineutrini) muonici possono “oscillare”, trasformandosi in neutrini (o antineutrini) di tipo elettronico. T2k ha trovato che il numero di antineutrini muonici che oscillano in antineutrini elettronici è inferiore rispetto a quello dei neutrini muonici oscillanti in neutrini elettronici.

T2k è sostenuto dal ministero giapponese per la Cultura, Sport, Scienza e Tecnologia, ed è ospitato congiuntamente dall’High Energy Research Accelerator Organization (Kek) e dall’ Institute for Cosmic Ray Research (Icrr) dell’Università di Tokyo. L’esperimento è stato realizzato ed è gestito da una collaborazione internazionale che conta circa 500 scienziati di 63 istituzioni in 11 paesi (Canada, Francia, Germania, Italia, Giappone, Polonia, Russia, Spagna, Svizzera, Regno Unito e Stati Uniti d'America). La partecipazione italiana a T2k è coordinata dall’Infn e vede contributi delle sezioni Infn di Bari, Napoli, Padova e Roma 1. [Eleonora Cossi]

Un mare di antimateria
L’equazione di Dirac, dalla meccanica quantistica al modello standard

di Graziano Venanzoni

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Lapide commemorativa di Paul Dirac, inaugurata il 13 novembre 1995 in una navata dell’Abbazia di Westminster (Londra), vicina al monumento dedicato a Newton.

Paul Adrien Maurice Dirac fu senza dubbio uno fra i massimi fisici di tutti i tempi. Dal 1926 al 1928, in tre articoli, gettò le basi della meccanica quantistica, della teoria quantistica dei campi (che poi portò alla formulazione dell’elettrodinamica quantistica, Qed, la prima teoria quantistica dei campi che conciliava la meccanica quantistica e la relatività) e infine – con l’equazione che porta il suo nome – della moderna teoria delle particelle elementari (nota anche come modello standard). La famosa equazione di Dirac per l’elettrone apparve nel 1928. È difficile non provare ammirazione di fronte alla bellezza di una tale equazione. Conciliando la meccanica quantistica e la relatività di Einstein, introduceva un nuovo formalismo a quattro componenti (detti spinori) che andava al di là del concetto di tensore. Permettendo di descrivere il moto dell’elettrone libero, ma anche di entità composite libere come protoni e neutroni, prevedeva un moto di “rotazione” intrinseco dell’elettrone, il cosiddetto spin, con valori quantizzati seminteri (oggi diciamo che l’elicità dell’elettrone, ossia la componente dello spin lungo la direzione di moto, può prendere solo due valori, +1/2 o -1/2), associato a un momento magnetico, che permetteva di spiegare alcuni aspetti “misteriosi” degli spettri atomici, di cui parleremo tra poco. Ma poneva anche un problema nuovo: quello delle energie negative. Infatti, se si risolve l’equazione di Dirac per un singolo elettrone, si ottengono due soluzioni, una positiva e una negativa, allo stesso modo per cui la radice quadrata di 49 è +7 e -7. La soluzione negativa era preoccupante: l’energia negativa, che era in sé un’idea imbarazzante, implicava, per la famosa equazione della relatività speciale di Einstein E = mc² (vd. Creare materia, ndr), una massa negativa: una cosa chiaramente assurda! All’epoca, ovviamente nessuno aveva mai visto questi oggetti con energia negativa. Si racconta che un teorico li chiamò “elettroni asini”: “se li tiri in avanti, si muovono all’indietro”! Capita spesso nell’ambito della ricerca scientifica che la soluzione di un problema ne faccia emergere uno nuovo, completamente inaspettato, la cui soluzione rappresenta un progresso significativo della conoscenza. Capitò così anche a Dirac, che lottò con le energie negative per l’intero 1929, finché non giunse alla conclusione che esse non potevano essere evitate. La spiegazione che diede era che gli stati a energia negativa non si vedono, perché occupano lo stato di minima energia possibile che è lo stato di vuoto. Gli elettroni a energia positiva non possono cadere in questo mare senza fondo, perché non vi è spazio per loro. Però può succedere, così come ogni tanto un pesce salta fuori dall’acqua, che un elettrone presente in questo mare, investito da un fascio di luce, possa saltar fuori, acquistando un’energia positiva e lasciando una buca nella posizione originaria. Questa buca apparirebbe come una sorta di elettrone “opposto”: stessa massa, ma con carica positiva (corrispondente a un’assenza di carica negativa) ed energia positiva. Fu così che l’equazione di Dirac prediceva un nuovo tipo di materia: l’antimateria, del tutto simile alla materia ma con carica opposta (occorre dire, però, che per un bel po’ di tempo Dirac fu riluttante ad accettare la predizione dell’esistenza di un antielettrone, a tal punto da identificarlo con il protone). Qualche anno più tardi l’antielettrone (chiamato positrone) fu scoperto da Carl D. Anderson nei raggi cosmici, scoperta che gli valse il premio Nobel per la fisica del 1936. Fu un vero trionfo per l’equazione di Dirac. “L’equazione – egli disse in seguito – era stata più intelligente di me”. Ma il trionfo sperimentale ancora maggiore fu la produzione di antiprotoni da parte di Emilio Segré e Owen Chamberlain nel 1956, la produzione di antideutoni da parte di Antonino Zichichi e altri nel 1965, per arrivare alla produzione dell’antidrogeno al Cern alla fine del secolo scorso. Oggigiorno i positroni vengono prodotti e utilizzati quotidianamente sia in ambito scientifico che medicale (basti pensare alla Pet – Positron Emission Tomography). L’equazione di Dirac aveva inoltre un’altra conseguenza ancora più sorprendente, destinata a cambiare radicalmente il modo di concepire la materia: le particelle elementari non erano enti immutabili (come secondo la filosofia di Democrito), ma potevano trasformarsi tra loro, così come un fotone (quanto di luce) che interagisse con la materia poteva trasformarsi in una coppia elettrone-positrone.

b.
La Pet (Positron Emission Tomography, tomografia a emissione di positroni) è una delle tecniche diagnostiche utilizzate oggi per la diagnostica avanzata di neoplasie. Nella foto una Discovery 690 dell’unità di Medicina Nucleare dell’Ospedale Cannizzaro di Catania, utilizzata anche dai fisici medici dei Laboratori Infn del Sud per la loro formazione.

c.
Di Julian Schwinger, fisico teorico, si diceva che il suo laboratorio fosse nella penna.

d.
La collaborazione del nuovo esperimento Muon g-2 al Fermilab nei pressi di Chicago, all’interno dell’anello dove verranno accumulati i muoni.

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Una tomografia galattica
Positroni per una Pet alla Galassia.
di Enrico Costa

Se escludiamo l’elusiva materia oscura, e l’ancora più sfuggente energia oscura, l’Universo, fatto di stelle, galassie, polveri e plasma, è costituito da protoni, neutroni ed elettroni. E così il nostro mondo. Piccole quantità di antimateria in forma di antiparticelle, soprattutto positroni e antiprotoni, si formano e si annichilano continuamente, su scale di tempo molto diverse. La massima concentrazione di positroni si ha nel centro della nostra galassia: una caratteristica che offre agli scienziati un’importante opportunità di conoscenza della struttura di questa regione. Quando un positrone interagisce con un elettrone della materia ordinaria, infatti, si annichila originando due fotoni. Rivelando i fotoni da annichilazione è quindi possibile sottoporre la Galassia a una vera e propria indagine Pet, simile a quella sviluppata in campo medico sfruttando i positroni emessi da una sostanza radiotracciante introdotta nel corpo umano. Tuttavia, un aspetto non trascurabile distingue la Pet medica da quella “galattica”: quando al centro della Galassia si annichila una coppia elettrone-positrone, se uno dei due fotoni generati è emesso verso di noi – e impiegherà 25.000 anni ad arrivare! – l’altro si muoverà nella direzione opposta e si perderà nello spazio. La Pet galattica non gode quindi di un vantaggio di cui gode la Pet in laboratorio: la presenza di due fotoni di energia esattamente pari a 511 keV (equivalente a metà della massa della coppia elettrone-positrone scomparsa) che rivelati simultaneamente indicano la linea lungo cui si trova la sorgente. La certezza che l’unico fotone rivelato sia originato dall’annichilazione di coppie elettrone-positrone si ha solo misurandone l’energia con rivelatori che abbiano una buona capacità di distinguere energie molto simili (buona risoluzione energetica). Per ricostruire la direzione di provenienza dei fotoni, invece, e distinguere sorgenti vicine (per ottenere, cioè, una buona risoluzione angolare), sono stati ideati nel tempo metodi diversi. Il pioniere dei rivelatori di fotoni galattici da annichilazione, sviluppato nel 1978, consisteva in un rivelatore al germanio con un collimatore, posto su un pallone stratosferico e in grado di registrare fotoni entro un angolo di 11°.

a. Lo spettrometro del satellite europeo Integral. I rivelatori di germanio raffreddati misurano con grande precisione l’energia dei fotoni gamma e, in modo approssimativo, il punto in cui vengono assorbiti. Bloccando i fotoni da tutte le direzioni, tranne quelli che passano attraverso una maschera di tungsteno, si ricostruiscono immagini del cielo. 1. La maschera codificata: una piastra di tungsteno con una matrice di fori disposti secondo uno schema definito. 2. Matrice di rivelatori di germanio.

b.
Trenta anni fa la scoperta dell’antimateria galattica in un esperimento condotto nel 1978 ai laboratori Bell. Un rivelatore di Germanio di 120 cm² posto su un pallone stratosferico era raffreddato con azoto liquido e schermato con ioduro di sodio per impedire ai fotoni gamma di raggiungere il rivelatore. Un foro (collimatore) lasciava passare solo i fotoni entro un angolo di 11° dal centro galattico.

c.
L’immagine della Galassia ottenuta con i fotoni di energia 511 keV. Al centro, l’emissione del bulge galattico di forma sferica. Più aIl’esterno il raccordo tra il bulge e il disco di forma ellittica. Si nota che a destra (a longitudini crescenti) la regione è più estesa.

d.
L’effetto è più chiaro se si sommano tutti gli eventi entro una latitudine di 10° e si riproduce una mappa unidimensionale in longitudine. Il bulge è molto luminoso al centro e si estende per circa 10° a destra e a sinistra. Le ali si estendono sino a circa ±50° ma l’ala a destra è il doppio di quella a sinistra.

e.
Un’immagine del cielo ai raggi X al di sopra di 20 keV, ottenuta con il rivelatore Ibis di Integral, con una risoluzione angolare di 0,2°. Ogni punto è una stella binaria costituita da una stella di piccola massa e un buco nero o una stella di neutroni. Si trova che, nelle regioni corrispondenti alle ali della mappa a 511 keV, il numero di binarie di piccola massa alla destra è il doppio di quello alla sinistra.

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