Antimateria, se ci sei… batti un colpo!

L’antimateria non è un concetto fantascientifico, esiste davvero! E’ composta da particelle uguali a quelle che conosciamo, e altrettanto reali, solo di carica opposta. Come mai, allora, la materia regna sovrana nel cosmo, mentre l’antimateria è rarissima?

Grafico della distribuzione di antimateria

Sebbene il suo nome evochi la fantascienza, in realtà l’antimateria è un’entità ben nota agli scienziati. Si tratta di particelle identiche a quelle a noi familiari, ma di cariche opposte: all’elettrone corrisponde il positrone, al protone l’antiprotone, ecc. L’antimateria viene continuamente generata nell’universo, ovunque si verifichino collisioni tra particelle ad alta velocità, come raggi cosmici che colpiscono l’atmosfera terrestre, o l’interazione di jet relativistici con il mezzo interstellare. Solo 2 mesi fa il telescopio Fermi ha sorpreso gli scienziati rilevando perfino che viene prodotta dai temporali nell’atmosfera terrestre! E’ inoltre ormai pratica comune crearla in laboratorio, ed è anche entrata nell’uso quotidiano in medicina, utilizzata nella ormai comune tecnica di radiodiagnostica PET – Tomografia ad Emissione di Positroni.

Tuttavia, l’antimateria è estremamente rara nell’universo, e generalmente la sua vita è brevissima, poiché quando particelle identiche ma di segno opposto si incontrano, entrambe si annientano, in un processo detto annichilazione. In un ambiente costituito quasi esclusivamente di materia, è ovviamente difficile per le povere antiparticelle evitare le collisioni!

Secondo il Modello Standard, la teoria ormai comunemente accettata che spiega le origini dell’Universo, subito dopo il Big Bang il densissimo e caldissimo brodo primordiale conteneva uguali quantità di materia e antimateria, che continuarono a collidere fra di loro e ad annichilarsi finché la prima prevalse sulla seconda, permettendo alle particelle sopravvissute di proseguire la loro esistenza in un cosmo sempre meno caldo e meno denso, con la conseguente formazione dei nuclei e successivamente degli atomi, delle molecole, e di tutto ciò che è a noi noto. Ma a questa spiegazione manca qualche tassello: come riuscì la materia a sconfiggere l’antimateria, relegandola a un perenne “esilio cosmico”? Questo dato di fatto è definito “asimmetria barionica”, preponderanza di barioni sugli antibarioni, ed è uno dei misteri più grandi della cosmologia.

Per spiegare il fenomeno, sono state formulate diverse ipotesi: le più accreditate richiedono modifiche al Modello Standard della fisica delle particelle, supponendo reazioni fisiche che avrebbero favorito, nei primi istanti di vita del cosmo, la produzione di materia rispetto ad antimateria, fenomeno detto violazione di CP. Un secondo gruppo di ipotesi contempla invece l’esistenza di regioni dello spazio dove prevale la materia, e regioni popolate da antimateria, nettamente separate le une dalle altre. In questo caso non si tratterebbe di differenze nel numero totale di barioni e antibarioni, ma della loro distribuzione nel cosmo.

Al fine di testare la violazione di CP, vari team di studiosi stanno tentando di ricreare le condizioni dei primi minuti immediatamente successivi al Big Bang, per comprendere meglio il processo della bariogenesi, cioè la formazione dei barioni (la famiglia a cui appartengono elettroni, protoni e neutroni); facendo collidere materia e antimateria in acceleratori di particelle ad alta energia, è possibile osservare da vicino l’annichilazione primordiale. Nonostante questo termine sembri denotare una completa distruzione, quando particelle e antiparticelle entrano in contatto in realtà non scompaiono, nel rispetto della legge di conservazione della materia (nulla si crea ne si distrugge). I due “nemici” si trasformano in fotoni, e se la loro energia cinetica è sufficientemente alta, vengono create anche nuove particelle e antiparticelle. In questi ultimi mesi, i sostenitori della violazione di CP hanno ottenuto un risultato strabiliante, che avvalora la loro tesi. Presso il Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) di Batavia, Illinois, USA, è in atto il D-0 Experiment, un progetto internazionale a cui partecipano circa 500 fisici di 19 Paesi, che studia il processo di annichilazione di protoni e antiprotoni fatti scontrare ad altissima energia nel Tevatron Collider.

Il Tevatron è il più potente acceleratore di protoni e antiprotoni del mondo, in grado di spingerli a una velocità pari al 99.999954 % della velocità della luce, riproducendo collisioni ad altissima energia analoghe a quelle avvenute durante la bariogenesi. I risultati preliminari del progetto D0, resi noti in maggio 2010, sono a dir poco sorprendenti. Si è infatti riscontrato che le collisioni producevano più frequentemente coppie di muoni rispetto a coppie di antimuoni, con una differenza dell’1%. Queste osservazioni rappresentano un enorme passo avanti verso la soluzione del mistero della asimmetria barionica, si sta infatti iniziando a dimostrare che esistono davvero differenze nel comportamento di particelle e antiparticelle. La differenza dell’1% tra il numero di barioni e antibarioni generati sarebbe infatti sufficiente per giustificare l’assoluto dominio della materia nel cosmo. Nonostante la cruciale importanza di questi risultati, il numero di collisioni studiate dal progetto D0 è ancora piuttosto ridotto, e il team continuerà a raccogliere dati per ottenere informazioni ancora più precise. Altri centri intanto stanno conducendo studi analoghi, incluso il fratello maggiore del Tevatron, il Large Hadron Collider del CERN di Ginevra con un esperimento denominato LHCB.

Le ricerche però continuano anche sugli altri fronti. I fautori dell’esistenza di regioni cosmiche dominate dall’antimateria sono alla ricerca di evidenze di “antigalassie”, composte da antibarioni. Rilevarle non è semplice, in quanto i segnali che emetterebbero sarebbero comunque composti da fotoni, quindi del tutto uguali a quelli delle galassie ordinarie. Per scovarle è quindi necessario attuare strategie più creative. La NASA, ad esempio, ha realizzato Lo Spettrometro Magnetico Alfa (AMS), un rilevatore di raggi cosmici sofisticatissimo installato sulla Stazione Spaziale Internazionale, che ha tra i suoi obiettivi la individuazione di nuclei di anti-elio, evidenza dell’esistenza di strutture di antimateria in zone remote dello spazio.

Secondo alcuni scienziati, infine, grandi quantità di antimateria potrebbero essere presenti in zone al di fuori dell’Universo osservabile, in luoghi così lontani che la luce dei fenomeni che vi avvengono non ha ancora avuto abbastanza tempo per raggiungerci. In questo caso, ovviamente, non potremmo captarla (per comprendere bene il concetto dell’Universo osservabile, consiglio assolutamente di leggere il magnifico articolo del Prof. Zappalà recentemente pubblicato nella sezione $Cosmologia$).

Attendiamo con trepidazione nuovi sviluppi dalla scienza, che con strumenti impensabili fino a qualche decennio fa sembra sul punto di svelare questo antico segreto, custodito dal cosmo per oltre 13 miliardi di anni. Nel frattempo, però, apprezziamo il dono dell’asimmetria barionica, qualunque siano la sua origine e natura. Se non si fosse verificato uno squilibrio tra materia e antimateria, tutte le particelle si sarebbero annientate pochi istanti dopo il Big Bang, e a meno di qualche altro fenomeno ignoto non prevedibile, noi non saremmo qui a porci queste domande!

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30 Commenti

  1. Spett.le redazione di Astronomia.com i vostri articoli sono sempre molto interessanti e li leggo con molto piacere,approfitto di questo commento per poter soddisfare una mia curiosità,alcuni scenziati giapponesi hanno asserito che sarebbe possibile in laboratorio riprodurre un Big.bang e quindi creare un nuovo spazio-tempo cioè un nuovo universo.
    E realmente possibile?
    Quali tecnologie sarebbero necessarie?
    Ed infine la creazione di falso vuoto quantico non distruggerebbe il nostro vuoto quantico che e metastabile dovendo le particelle a più alta energia cederne per stabilizzarsi?
    Scusandomi per questa mia curiosità spero che dedicherete un articolo su quest’argomento distinti saluti. :mrgreen:

  2. Complimenti a Francesca Diodati, un articolo veramente ben scritto!
    Ora una piccola domanda “tangente” all’argomento trattato: potrebbe essere stato l’annichilimento della materia/antimateria l’origine dell’inflazione dei primordi? O meglio, c’è qualche teoria che lo sostiene?
    Poi mi associo alla richiesta di Raffaele qui sopra su un articolo che tratti l’argomento da lui richiesto, anche solo per capire quel che ha chiesto (vuoto quantico?!? 😯 ) :mrgreen:

  3. grande Francesca!!! bellissimo articolo…. Come vedi sono tornato vivo e vegeto anche se piuttosto scosso (ancora…). Bacioni!! 😛

  4. @Enzo
    Bentornato!! Che bello!!!
    @Raffaele
    Grazie mille. Spero che Enzo, o gli altri veri scienziati della redazione, vorranno rispondere alle tue domande, davvero troppo avanzate per i miei neuroncini…Anzi , sono curiosa anch’io!
    @Andrea
    Idem come sopra! 🙂 Io sapevo che la teoria dell’inflazione la attribuisce al calo della temperatura dell’Universo primordiale. Ma attendiamo i veri esperti
    Grazie a tutti

  5. @Enzo: Ciao e ben tornato! Tutto OK? Mancavi proprio…..
    @Francesca: Bell’articolo, complimenti! Mi spieghi però perché l’anti-elio sarebbe un indicatore della presenza di un’anti – universo? ❓

  6. @Red
    Grazie mille!
    Mentre singole antiparticelle di brevissima esistenza possono essere prodotte in vari modi, come si è scoperto anche le tempeste terrestri le producono, un nucleo di antielio è una struttura complessa che molto dificilmente potrebbe essere stato generato da fenomeni come le collisioni. Quindi trovare un antinucleo sarebbe altamente indicativo dell’esistenza di antimateria primordiale. Se ti interessa, avevamo pubblicato qualcosa sull’argomento tempo fa in science@NASA qui
    http://www.astronomia.com/2009/08/18/alla-ricerca-delle-galassie-di-antimateria/

    😉

  7. @Francesca: Ti ringrazio molto!
    Immaginavo una cosa del genere, ma mi sembrava praticamente impossibile che un’atomo complesso di antimateria potesse arrivare all’interno di una galassia di materia ordinaria da così lontano e indenne….

  8. @Red Hanuman
    figurati! Grazie a te. In realtà, non credo si pensi che un antiatomo possa arrivare indenne da noi, ma si tenta di rilevarlo da lontano, provando che esistono galassie composte di antimateria in regioni dello spazio separate dalle nostre dove regna invece la materia.
    Che argomento affascinante, vero?! 😉

  9. @ gli esperti scienziati del sito
    potrebbe un antiatomo raggiungerci indenne? 🙄
    Grazie!

  10. @Francesca Diodati: Ciao! Se rileggi bene l’articolo che hai tradotto tu (tra l’altro in modo perfetto), trovi: “Le collisioni dei raggi cosmici nei pressi della Terra possono, in effetti, generare particelle di antimateria, tuttavia le probabilità che queste collisioni producano un nucleo di anti-elio sono così insignificanti che il ritrovamento di anche solo un nucleo di anti-elio sarebbe altamente indicativo della esistenza di una regione remota dell’universo dominata da antimateria, dalla quale il nucleo sarebbe arrivato fino a noi.“.
    Dunque, il team dell’AMS ritiene possibile che un nucleo di anti-elio, proveniente da una porzione di spazio dominata dall’antimateria, possa arrivare indenne fin qui.
    A me sembra poco probabile. Se ci fosse una zona di spazio dominata dall’antimateria, da cui la stessa filtra verso di noi, ci dovrebbe essere una zona di “confine” in cui materia e antimateria si annichilano costantemente. Dovrebbe perciò esserci una specie di “muro” estremamente diffuso e brillante ai raggi X – gamma. Una cosa del genere sarebbe molto caratteristica, e non credo sarebbe difficilmente rilevabile.
    Mi sembra poco probabile anche che un nucleo di anti-elio, residuo del big-bang, sia arrivato indenne fino ai giorni nostri, mescolato con la materia ordinaria.
    Se lo dovessero effettivamente trovare, mi sembrerebbe più logico ricondurlo ad un’evento molto energetico a cui non si è mai pensato…

  11. @Red Hanuman
    innanzitutto grazie per i complimenti sulla traduzione! Sei molto gentile.
    Hai ragione, l’articolo di science@NASA potrebbe anche intendere che i nuclei di antielio sono tra noi, è vero! Anche a me però sembra molto difficile che riescano a sopravvivere alle insidie della materia…Nella pagina della NASA dedicata all’AMS 02 si dice però che il progetto è in grado di sondare il cosmo fino ai suoi confini
    http://ams-02project.jsc.nasa.gov/html/Projectpage.htm
    quindi sembra che stiano guardando molto lontano.

  12. @Francesca Diodati: Cara Francesca, ti ringrazio di nuovo per l’interesse che mostri alle mie domande.
    Rileggendo l’articolo che mi hai indicato nel link, noterai che tutti i rilevatori sull’AMS rilevano particelle e non radiazioni. C’è anche il riferimento al fatto che il super magnete è utilizzato per obbligare le particelle catturate a seguire un ben determinato percorso tra i vari rilevatori. Infine, dice che l’AMS-02 ha una sensibilità nello scovare il rapporto tra anti elio e elio dell’ordine di 10-9, mille volte più sensibile dell’AMS-01.
    Mi sembra chiaro, allora, che la ricerca riguardi nuclei di anti elio presenti presso di noi, non trovi? 🙂

  13. @Red Hanuman
    figurati, risponderei volentieri a tutte le tue domande, se fossi in grado di farlo! 😀 In effetti hai ragione, sembra che parlino di catturare particelle…allora non capisco la frase sui confini dell’universo.
    Qualcuno ha idee? 🙄

  14. @ Red & Francesca: Caspita, il gioco comincia a farsi duro 🙂
    Cominciamo con il rivelatore: l’AMS è un insieme di rivelatori di particelle cariche, le quali curvano all’interno del campo magnetico; da questa curvatura sono deducibili carica, massa, ecc…
    Quindi un ipotetico nucleo di antielio potrebbe essere identificato. Perché cercare proprio un nucleo di antielio? I raggi cosmici sono costituiti principalmente da protoni (nuclei di idrogeno) e da altri nuclei (maggiore il loro peso, minore il loro flusso). L’antielio fornirebbe un’evidenza molto forte della propria “”””anti-sorgente””””” (tra 1000 virgolette perché è un termine che mi sto inventando or ora 🙂 ) in quanto la produzione casuale di una struttura così complessa (uno stato legato di 4 particelle di antimateria) sarebbe certamente meno probabile della produzione (e della rivelazione) di un singolo antiprotone.
    AMS ha stabilito un nuovo limite superiore al rapporto antiHe/He, ma questo non vuol dire che nuclei di antielio siano stati effettivamente osservati: se da una boccia estraggo 10 palle bianche posso dire che tra palle nere e bianche c’è un rapporto al più di 1 a 10 ma potrebbe essere 1/100, 1/1000, 1/100000000000000000, …
    Quel che si può fare è migliorare l’apparato di misura, che è quello che han fatto con AMS-02, migliorando la sensitività (la capacità di distinguere tra particelle diverse).
    Spero di aver capito i dubbi che avevate, di averli fugati e di averne creati degli altri 🙂
    Sull’effettiva osservazione di nuclei di antielio mi informerò presso colleghi più esperti!
    Buona serata!

  15. @Federico
    Grazie!!!! Quindi, come diceva Red Hanuman, le particelle che si cerca di osservare/catturare sarebbero vicine a noi. Mi è chiaro il concetto dell’elio come prova di antimateria primordiale in quanto struttura complessa, ma mi chiedo (come Red) come riesce un nucleo di elio a formarsi e resistere intatto fino a noi, con tutta la materia che deve aver affrontato per raggiungerci (da zone remote del cosmo). Tu cosa ne pensi??
    Grazie mille!

  16. Ammesso che esista una regione dominata dall’antimateria, la produzione di un antinucleo sarebbe normale; il fatto che questo ipotetico antinucleo possa arrivare fino da noi dopo aver percorso anche “solo” qualche milione di anno luce è certamente mooooolto improbabile. Non credo siano stati rivelati ma mi informerò meglio al riguardo.
    Caspita a leggere questi articoli e i commenti mi fate spuntare 1000 curiosità da soddisfare!

  17. Infatti, non è strano che venga prodotto, ma che si pensi che possa essere arrivato fino a noi.
    Tutta colpa, o merito, di Red Hanuman! 😀 😎

  18. Anche la sua produzione qui vicino sarebbe estremamente improbabile. Evidentemente i signori di AMS hanno ragione di credere che qualcuno possa arrivare, e a dirla tutta sarebbe più sensazionale della comparsa degli alieni! 🙂

  19. @Francesca Diodati: Alt!! Declino ogni responsabilità!! E’ solo colpa tua! La curiosità è femmina….. :mrgreen:
    @Federico: Ti ringrazio immensamente! Condivido con te: più si va avanti nella discussione, e più la cosa si fa intrigante….
    Comunque, stando all’FBI gli alieni sulla terra ci sono già stati.
    Mi sa che l’antimateria è un po’ in ritardo…. :mrgreen:
    Che sia già passata, ma non ce ne siamo accorti? 😯 😆

  20. @pierluigi: Ti pareva. La solita bUFfOnata….. :mrgreen:
    Che ne dici: dietro uno scoop eccezionale sta solo un SOLA? 😆

  21. @Red Hanuman
    OK è colpa mia, perché sono femmina e perché ho proposto l’argomento con gli articoli. Però anche tu……….! 😀
    @Pierlu
    AHAHAHAHAHAHAHA davvero buffa, e bufonata! 😆

  22. Ciao a tutti, oltre a ribadire i complimenti per l’articolo, per chi è interessato a questo argomento (direi molto stimolante) consiglio la lettura del libro di Frank Close Antimateria.
    E’ scritto in modo semplice ed è di non troppa difficile comprensione.

    Pensare all’antimateria, per molti, non è intuitivo, ma apre sicuramente molti interrogativi. Per esempio come l’evento di Tunguska per alcuni sia da attribuire ad un’annichilazione tra materia e antimateria (visto le sue particolari caratteristiche).