Il mondo allo specchio dell’antimateria

Qua e là in libri, film o fumetti ogni tanto spunta la misteriosa antimateria. Spesso, si sta sul vago riguardo cosa sia e cosa faccia, rendendola la versione “scientificosa” della magia.

Una creatura di “antimateria” spunta in un vecchio episodio di Doctor Who. credit: doctorwhofromthestart.wordpress.com

Ma l’antimateria esiste: la conosciamo così bene da sfruttarla anche in medicina. La sua scoperta è uno dei più grandi successi della fisica teorica. Allo stesso tempo, però, ci ha creato un bel grattacapo.

Tra gli anni Venti e Trenta, i fisici cercavano di mettere d'accordo la Relatività Speciale e la Meccanica Quantistica. L’unico modo per farle funzionare era introdurre una nuova, strana materia, uguale alla materia normale, ma al contrario. Erano come due persone allo specchio. Sono uguali e si muovono allo stesso modo, ma se una alza la mano sinistra, l’altra alza la destra. In termini di particelle, se una ha carica positiva, o spin in su, o altro, l’altra ha carica negativa, o spin in giù, o comunque tutto all’opposto. Era più del riflesso della materia, era quasi il suo gemello malvagio: la chiamarono antimateria.

credit: a113animation.com

Il nome viene da dove pensate che venga: dall’essere il contrario della materia. Come tutti gli opposti, quando materia ed antimateria si incontrano, si annullano. Spariscono in un istante, trasformandosi in pura energia—un processo chiamato annichilazione.

L’antimateria non era solo un trucco matematico: ben presto gli scienziati avvistarono le prime antiparticelle. Trovare l’antimateria fu un successo senza precedenti: la teoria aveva tracciato la via per scoprire un universo mai visto.

Ma perché era rimasto invisibile? Perché l’universo è di materia? Perché esiste? Non avrebbe dovuto annichilarsi* con un anti-universo uguale e contrario? Le leggi fisiche sono diversa per l’antimateria?

L’esperimento Alpha al CERN prova a rispondere almeno a quest’ultima domanda. Dopo essere riusciti a creare ed isolare degli atomi di anti-idrogeno—con anti-protoni, anti-elettroni e tutto—gli scienziati li hanno stimolati con luce laser. La reazione che hanno visto dall’anti-idrogeno è esattamente uguale a quella che conosciamo per l’idrogeno. Le leggi sembrano uguali anche per l’anti-materia.

Probabilmente siamo tutti di materia perché, dopo il Big Bang, ce n’era giusto un pochino di più. Da dove venga il microscopico equilibrio che ha regalato l’universo alla materia resta ancora uno dei più grandi misteri della scienza.

Una rappresentazione dello squilibrio materia-antimateria al Deutsches Museum di Monaco (Germania). La tanica di sabbia nera rappresenta l’antimateria all’origine dell’universo, quella bianca la materia—sono alte circa un metro, quella bianca contiene un singolo granello in più. credit: scilogs.spektrum.de

 

*Suona strano, ma quello è il verbo: materia e antimateria si annichilano.

Foto copertina: CC0 Julia Schwab/pixabay

Come si cercano le particelle

Magari avete sentito le notizie di quest’estate che il CERN non ha poi trovato la particella che si pensava avessero trovato. E magari vi ha fatto realizzare che il processo con cui “si trovano le particelle” non è per niente chiaro. Fortunatamente Abstrusegoose (riposi in pace) qualche tempo fa fece una bellissima striscia, piuttosto illuminante su come funziona la fisica delle alte energie.

L'analogia funziona anche con le rane. O meglio, non funziona. Comunque, non provateci per favore! credit: abstrusegoose.com

Come dice abstrusegoose, gli ex fisici delle particelle sono i peggiori biologi. L’analogia funziona anche con le rane. O meglio, non funziona. Comunque non provateci per favore! credit: abstrusegoose.com

Anche se un po’ vago sui dettagli, il processo è più o meno quello*, solo che si usano protoni (o altre particelle) al posto delle rane. In breve: li si spara fortissimo uno contro l’altro e si vede cosa ne esce.

Protoni e rane, però, hanno alcune fondamentali differenze, e due in particolare sono cruciali per noi. Primo: un protone non è un oggetto solido, non ha nulla “dentro” (e non ha un “dentro”, se è per quello). Secondo, rimettendo insieme i pezzi delle rane, otterremo di nuovo le due rane. Nulla meno (se siamo molto bravi a raccogliere i pezzi), ma sicuramente nulla di più. Per le particelle è tutta un’altra storia.

Gli acceleratori come LHC spingono le particelle quasi alla velocità della luce. Siccome la massa può diventare energia e viceversa, l’inimmaginabile energia liberata quando le particelle si scontrano può produrre ogni sorta di cose nuove ed esotiche che non c’erano prima. E può avere molta più massa di quella con cui siamo partiti: più veloci sono i nostri protoni, più massa ha la roba che esce. Il bosone di Higgs, ad esempio, è stato scoperto scontrando coppie di protoni, ma ha 60 volte più massa. Sarebbe come se, scontrando due rane, uscisse qualcosa delle dimensioni di un bambino delle elementari.

Tuttavia, queste particelle formate nella collisione non si possono vedere direttamente, in parte perché restano lì davvero pochissimo. Mooolto meno di un miliardesimo di secondo dopo la collisione sono già decadute, sparando fotoni e particelle più piccole in ogni direzione.

Avete presente quelle belle immagini con tutte le linee colorate che pubblicano i laboratori di fisica delle particelle? Ecco, quelle linee sono la traiettoria di questi detriti sparati fuori.

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I prodotti di una collisione nell’esperimento ALICE del CERN. Credit: home.cern

Quella è la roba che i fisici studiano davvero. Ci sono rivelatori tutto intorno al punto della collisione per misurare e tracciare e contare quanto di quale tipo di ciarpame subatomico è uscito e dov’è andato. Sapendo come decadono varie particelle, gli scienziati setacciano i dati e risalgono a cosa è successo subito dopo la collisione.

Quando trovano troppo o troppo poco di qualcosa inizia il divertimento, perché potrebbe significare che si era formata una nuova particella sconosciuta. Perciò tutti si erano agitati per i dati del CERN lo scorso anno. Oppure potrebbe significare che i modelli che ci dicono cosa aspettarci dai decadimenti sono sbagliati, che comunque è interessante. Oppure potrebbe voler dire che si sono formate le solite particelle e, per caso, sono decadute più spesso in un modo piuttosto che in un altro. Questo è quello che è poi successo coi dati del CERN: quando hanno analizzato più collisioni, la media è tornata dove ci si aspettava. Niente nuova particella.

Per saperne di più
  • Sotto sotto, la massa è più complicata della quantità di materia in un oggetto. Magari ne scriverò. Per ora, andatevi a vedere questo bel video con Sean Carrol che esplora questi aspetti
  • Come si fa a vedere i prodotti della collisione: il CERN spiega come funzionano i suoi rivelatori

Foto copertina: LHC, CC-BY-NC-ND UCI UC Irvine via Flickr. Some rights reserved.

*Osservazione del fisico pedante: l’acceleratore di rane non è un collider e LHC non funziona proprio così. Ma va anche bene così: sta pur sempre usando delle rane!

(La particella di) Dio non esiste

Il 4 luglio 2012, il CERN (l’Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare) annunciò di aver trovato le prove dell’esistenza di una nuova particella: il famigerato bosone di Higgs.

Purtroppo, molti hanno conosciuto questa meravigliosa particella come “particella di Dio”. L’etichetta— non particolarmente popolare tra i fisici—gli è rimasta attaccata dall’accattivante titolo di un libro del premio Nobel Leon Lederman (che, pare, ne volesse uno molto diverso). Questo nome ha creato molta confusione, dato che (una volta per tutte) Dio non c'entra proprio nulla.

Peter Higgs, CC-BY Bengt Nyman via Flickr.

Il bosone di Higgs deve il suo nome al fisico Peter Higgs, che ha teorizzato la sua esistenza negli anni ’60.

La sua teoria prevedeva un processo—fantasiosamente chiamato “meccanismo di Higgs“—che chiudeva l’ultimo buco rimasto nel Modello Standard, la grande teoria che raccoglie più o meno tutto quello che sappiamo delle particelle e le loro interazioni. Peraltro un buco piuttosto significativo: il meccanismo di Higgs fa in modo che le particelle elementari, come elettroni e quark abbiano massa. Sembra trascurabile: in fondo, tutti gli elettroni del nostro corpo messi assieme hanno una massa di appena qualche grammo. Però, come spiega (nel video sotto), Josh Bendavid del MIT,

Questo è assolutamente fondamentale per la nostra stessa esistenza, perché se l’elettrone non avesse massa, non potrebbe essere legato ad un protone e non si potrebbero formare gli atomi. E allora le stelle, i pianeti, la chimica, la vita non potrebbero esistere.

Trovare il bosone era la verifica sperimentale della teoria, che ha lanciato Higgs e il suo collega e co-autore della teoria François Englert al premio Nobel per la fisica 2013*.

Dopo questo successo, il grande acceleratore (il famoso LHC) usato per gli esperimenti è stato potenziato ulteriormente, passando da essere il più potente acceleratore del mondo ad essere di gran lunga l’acceleratore più potente. Tra i suoi ambiziosi obiettivi per il futuro c’è cercare una spiegazione per la materia oscura.

Mentre il CERN dà la caccia alle prossime grandi risposte, questa settimana vale la pena festeggiare il loro più grande risultato.

 

Foto: LHC – ALICE Detektor, CC-BY-SA Frank Weber, via Flickr. Some rights reserved.

*Correzione: Il post aveva erroneamente identificato le collaborazioni dietro agli esperimenti ATLAS e CMS del CERN come co-vincitori del Premio Nobel.