Gemma Testera Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Genova 18 novembre 2008

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1 Materia e antimateria Gemma Testera Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Genova 18 novembre 2008

2 Sommario Cosa e l antimateria Dove e e come la si produce Perche studiare atomi di antimateria Come si formano gli antiatomi

3 Cosa e l antimateria? frazione di atomo Cosa e la materia? Da cosa e formato il mondo che ci circonda? metri atomi Protoni (positivi), neutroni elettroni (negativi) Quarks: 2 tipi di quarks per formare protoni e neutroni: u, d

4 I mattoni fondamentali μ π K p e n ρ Λ Σ

5 Mondo e antimondo Particelle e antiparticelle devono avere: Carica (non solo elettrica) uguale e opposta Stessa massa elettrone, carica e Massa m positrone, carica +e Massa m protone, carica +e Massa= 1836 m Antiprotone, carica -e Massa= 1836 m uud u u d

6 L ipotesi di Dirac Primi anni del 1900 : le leggi della fisica che governano il mondo che vediamo vanno estese per descrivere gli atomi e le particelle elementari 1905 :Einstein formula la teoria della relativita M. Planck. W. Heisenberg.. pongono le basi della meccanica quantistica 1928: P. Dirac ipotizza l esistenza di antimateria x 2 = 4 x = ± 2

7 Breve storia della antimateria 1928 P. Dirac prevede l esistenza di antimateria 1932 : C. Anderson rivela il positrone studiando i raggi cosmici 1954 : E. Segre rivela l antiprotone (Bevatron) 1960 : si rivela antineutrone 1965 : Zichichi, Lederman rivelano antideutoni: nuclei fatto di antimateria Particelle di antimateria instabili prodotte con acceleratori L antimateria e le sue proprieta sono tuttora studiate in numerosi esperimenti agli acceleratori o con esperimenti nello spazio 1995 : CERN, FERMILAB: primi atomi di antidrogeno (INFN-Genova) 1999 : al CERN entra in funzione AD dedicato alla produzione di antidrogeno freddo 2002 : ATHENA al CERN (e ATRAP) : milioni di atomi di antidrogeno Dal 2006 in poi: esperimenti in presa dati o in preparazione al CERN per studiare le proprieta dell antidrogeno (ALPHA, ATRAP, ASACUSA, AEGIS)

8 Dove e l antimateria? L antimateria sembra praticamente assente nella nostra galassia Se materia e antimateria si incontrano annichilano rilasciando energia E=mc2 Non si rivelano infatti i segnali dovuti alle annichilazioni Diversi esperimenti INFN cercano antimateria nello spazio L antimateria viene prodotta nei laboratori di fisica per mezzo di acceleratori

9 Come si produce l antimateria? Per esempio, come si producono gli antiprotoni? L energia puo essere trasformata in massa e viceversa : E=mc 2 Particelle singole di materia tipo protoni possono essere accelerate fino a velocita prossime a quelle della luce Quando urtano un bersaglio l energia si trasforma in massa protoni antiprotoni Gli antiprotoni prodotti hanno energie molto elevate e velocita vicine a quelle della luce

10 Come si produce l antimateria? Per esempio, come si producono gli antiprotoni? Si osserva che protoni e antiprotoni vengono prodotti in coppie: conservazione numero barionico

11 Ma perche il nostro universo e fatto solo di materia? BigBang L universo primordiale era una mistura di massa e energia (alta temperatura) Formazione e annichilazione continua di particelle e antiparticelle L universo si espande e si raffredda: per qualche ragione sopravvive un piccolo eccesso di materia Si formano atomi e strutture e il mondo in cui viviamo Perche ci sono solo barioni nell universo e non antibarioni? NOTA: senza asimmetria non saremmo qui a parlarne. C e forse qualcosa di asimmetrico nel modo in cui materia e antimateria interagiscono.??? Materia e antimateria sono proprio identiche???

12 Un mondo di antimateria sarebbe davvero identico a un mondo di materia? Quarks (Anti-quarks) +Leptoni (Antileptoni) 4 FORZE Pensiamo che le 4 forze siano manifestazioni di una unica forza fondamentale Non siamo ancora riusciti completamente a formulare una teoria coerente Questa teoria dovra descrivere l infinitamente grande e l infinitamente piccolo gli esperimenti in laboratorio e l origine dell universo (TEORIA DEL TUTTO) La descrizione delle forze prevede alta simmetria tra materia e antimateria Se la simmetria fosse totale la bariogenesi forse resterebbe un mistero Qualche lieve asimmetria e gia stata osservata

13 Simmetrie: C, P, T C coniugazione di carica il risultato di un esperimento non cambia se sostituisco tutte le particelle con le rispettive antiparticelle T inversione temporale se un fenomeno tra particelle elementari e possibile, altrettanto lo e quello in cui il tempo scorre all indietro P parita il processo fisico non distingue tra destra e sinistra Le interazioni deboli non rispettano la simmetria P In qualche caso CP puo essere violata : 1964 decadimento mesoni K mesoni K0 si disintegrano in π+ π- un po piu spesso di quanto facciano le rispettive antiparticelle: molto raro ma non ambiguo esperimento BABAR (INFN): decadimento mesoni B

14 Assenza di antimateria e simmetrie non esatte Ricetta di Sakarov Il numero barionico non e esattamente conservato (alle alte temperature del big bang) Violazione di CP : si distingue tra barioni e antibarioni e si favorisce la preferenza dei barioni Evoluzione primordiale non in equilibrio termico Il mistero non e risolto, si studiano altre possibili spiegazioni CPT sembra essere una simmetria davvero fondamentale E legata ai principi fondamentali che stanno alla base del nostro modo di descrivere le leggi della natura Una piccola violazione di CPT potrebbe spiegare l asimmetria materia-antiameteria

15 Studiare antiatomi per verificare la simmetria CPT Simmetria CPT Carica (non solo elettrica) uguale e opposta Stessa massa Stessa vita media Stesso momento magnetico Atomi di materia e di antimateria devono essere identici Stessi livelli energetici Stessa vita media degli stati eccitati Formare e studiare antiatomi ci puo aiutare a capire se esistono piccole violazioni di CPT

16 e- e+ Idrogeno p e anti-idrogeno: anti-p e- ( e+) puo avere solo alcuni valori di energia (livelli) e- ( e+) salta da un livello all altro emettendo o assorbendo un fotone Esempi di orbitali elettronici: e la zona di spazio in cui posso trovare l elettrone (o il positrone) Stati eccitati n=2 n=1 energia Stato fondamentale n=1

17 Misure dei livelli energetici dell (anti) idrogeno 1S-2S idrogeno (46) Hz 15 cifre decimali! La stessa precisione con antidrogeno fornirebbe il test di CPT piu preciso che mai sia stato fatto per barioni!

18 Apple Anti-Apple G G? Antiatomi per studiare antimateria e gravita Earth Earth Tutti i corpi cadono al suolo con la stessa accelerazione di gravita g=9.81 m/s 2 Un blocco di piombo e una piuma lasciati cadere dalla torre di Pisa, subiscono la stessa accelerazione di gravita terrestre.. e dovrebbero arrivare a terra allo stesso tempo Se provate vi accorgete che non funziona: RESISTENZA DELL ARIA!!! Ma la forza esercitata dalla terra sulla piuma, sul blocco di piombo e su qualunque oggetto e davvero la stessa!!! PRINCIPIO DI EQUIVALENZA (massa inerziale=massa gravitazionale) Fondamento della relativita generale di Einstein (gravitazione: una delle 4 forze fondamentali)

19 Non sono mai state misurate violazioni del principio di equivalenza per materia Esperimenti con bilance di torsione: cifre decimali!!

20 e per antimateria? Nessuno hai mai misurato come cade una particella o un atomo di antimateria Einstein: materia e antimateria cadono allo stesso modo Nella TEORIA DEL TUTTO e possibile che la teoria di Einstein debba subire modifiche Lievi differenze tra materia e antimateria: possibili in certi modelli di gravita quantistica CPT non mi aiuta

21 Perche formare e studiare atomi di antidrogeno? Asimmetria materia antimateria nell universo e validita di CPT Interazioni gravitazionali della antimateria L esperimento su cui lavoriamo a Genova (AEGIS, successore di ATHENA) ha come primo obiettivo la misura di g su antidrogeno

22 Perche e difficile misurare la accelerazione di gravita g su antimateria? Lancio proiettili da un cannone orizzontale L Non vanno orizzontali ma cadono h h g Se misuro h ricavo g Fascio di antimateria H Rivelatore di posizione h Esempio : h=10 micron Le particelle dei fasci hanno velocita vicine a quelle della luce L= alcune centinaia di Km.. L Occorrono particelle con velocita molto bassa e neutre

23 Prepariamo gli antiatomi Misure di g (ma anche la spettroscopia) richiedono atomi con bassissima velocita : m/s Si parte da antiprotoni o positroni con velocita prossime a quelle della luce Km/sec 1GeV= K 10 6 K 273 K 10 K 0.1 K K K Energia iniziale degli antiprotoni Antihidrogeno prodotto da ATHENA-ATRAP Obiettivo del nuovo Esperimento AEGIS Esp. futuri Interferometria con antiatomi

24 LHC: 27 Km di lunghezza La fabbrica della antimateria al CERN : AD (Antiproton Decelerator) AD: solo 188 metri

25 La fabbrica della antimateria al CERN :AD Gli esperimenti su AD ATHENA (concluso) AD al CERN: deceleratore di antiprotoni diminuisce l energia del fascio di piu di una fattore 1000 Costruito per gli esperimenti su antidrogeno Pacchetti di antiprotoni: circa 30 milioni di antiprotoni ogni 100 secondi ATRAP, ALPHA, ASACUSA stanno prendendo dati (+ ACE) AEGIS : in preparazione.il restante raffreddamento e compito degli esperimenti

26 z Scatole per raffreddare antimateria Una scatola chiusa (o una stanza) contengono tantissime molecole intrappolate al loro interno che si muovono, urtano tra di loro e rimbalzano sulle pareti Scatole (trappole) che possono confinare gli antiprotoni senza che questi tocchino mai le pareti materiali Campi elettrici e campi magnetici costringono gli antiprotoni a muoversi all interno della scatola 50 cm Energia potenziale elettrica z 2 cm Devo eliminare le particelle di materia UltraAltoVuoto: P<10-12 mb un milione di milioni meno molecole che in questa stanza (a parita di volume) antiprotoni z

27 Catturare e raffreddare gli antiprotoni antiprotoni Solenoide B=3 T e- La trappola per antiprotoni si trova a 4K Elettroni leggeri si muovono nel campo magnetico e perdono la loro energia: raggiungono 4 K Campo magnetico B: circa volte piu alto del campo magnetico terrestre Gli antiprotoni sono catturati in volo: circa uno ogni Temperatura iniziale circa uguale a quella del Sole Gli urti con gli elettroni raffreddano gli antiprotoni: antiprotoni e elettroni non annichilano Gli antiprotoni possono sopravvivere in trappola per ore o giorni Si possono accumulare

28 La prima trappola di ATHENA

29 e i positroni? Si parte da una sorgente radioattiva di 22 Na (10 mc) (circa 400 milioni e+/sec) Si riduce l energia dei positroni e si accumulano in una seconda trappola In 5 minuti si accumulano 100 milioni di positroni : E il sistema piu efficiente che si conosce (neon solido + urti con un gas) Nonostante cio solo circa 1 su mille dei positroni emessi rimane catturato in trappola 4-5 mm 10 8 positroni 2 cm I positroni sono volte piu numerosi degli antiprotoni I positroni tendono a respingersi I campi di confinamento le costringno a stare vicini Formano un plasma freddo a forma di pallone da rugby Ci sono moti collettivi (una specie di gelatina.)

30 Comunicare con l antimateria Circuito trasmettitore: Segnale di eccitazione (radiofrequenza) Ricevitore: segnale dovuto alla oscillazione del plasma Solo quando trasmetto segnali a una frequenza molto vicina alla frequenza a cui il plasma puo oscillare ottengo un segnale di risposta

31 Comunicare con l antimateria Parametro che descrive la forma del plasma Ottengo Densita Dimensioni del plasma Numero di particelle sec

32 Come si e formato l antidrogeno in ATHENA? antiprotoni antiprotoni π 511 kev γ positroni Silicon micro strips π CsI crystals Trappola di ricombinazione π 511 kev γ Gli antiprotoni attraversano milioni di volte al secondo la nuvola di positroni Perdono energia Quando le velocita di positroni e antiprotoni sono molto simili si ha ricombinazione Antiprotone + e + + e + = Anti-idrogeno + e + L antiatomo neutro sfugge dalla trappola e annichila sul rivelatore

33 Quanti antiatomi vengono prodotti? Nunero di atomi di antidrogeno prodotti Energia 1996: 9 (PS210, CERN) 2 GeV 1998: 60 (Fermilab) 3 GeV 2002: ~ 1,000,000 (ATHENA, ATRAP) ev

34 AEGIS (Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry,Spectroscopy) Molti aspetti simili ad ATHENA (manipolazioni di particelle in trappole) Antiprotoni ancora piu freddi: 0.1 K Diverso meccanismo di formazione di antidrogeno: scambio carica con positronio p * + ( Ps) H + e * Scopo principale: misura di g

35 Un atomo un po speciale: il positronio Positronio : un elettrone e un positrone legati insieme Livelli energetici simili a quelli dell idrogeno (e dell antidrogeno) Vive molto poco nello stato fondamentale: meno di un milionesimo di secondo Negli stati eccitati (Rydberg) puo vivere volte piu a lungo fotone e+ e- Positronio in stato di Rydberg e+ ed e- sono un po piu lontani Il positronio in stato di Rydberg ha grandissima probabilita di formare antidrogeno quando incontra un antiprotone quasi fermo * p + ( Ps) H + e *

36 Come si misurera g? 2 grate materiali con scanalature periodiche, orizzonatli con passo di micron Un rivelatore di posizione su cui l antidrogeno annichila Simile a un interferometro Rivelatore di posizione x/a g Fascio di antidrogeno Prima grata Seconda grata Segnale sul rivelatore di posizione al variare della coordinata verticale

37 Il fascio cade mentre attraversa le grate x g V h = 600 m/s Grating units

38 x g V h = 600 m/s V h = 400 m/s

39 x g V h = 600 m/s V h = 300 m/s Grating units

40 x g V h = 600 m/s V h = 250 m/s

41 Conclusioni Lo studio della antimateria ci aiuta a svelare misteri ancora aperti sulle leggi fondamentali della fisica e sulla cosmologia Gli antiatomi freddi danno risposte complementari a quelle ottenibili con altri esperimenti agli acceleratori o nello spazio Applicazioni pratiche di antimateria: positroni e PET e gia una realta Propulsione spaziale, reattori (e bombe) ad antimateria: solo fantascienza!!

42 fantascienza La singola annichilazione protone - antiprotone rilascia piu di 100 volte l energia rilasciata nella fusione nucleare di 4 nuclei di idrogeno in elio Annichilo 1 g di antimateria: 4 miliardi di volte piu energia di quella ottenibile bruciando 1 g di petrolio varie fantasie su voli interplanetari Costo di un grammo di antimateria : stimato in 10 miliardi di dollari Produzione estremamente inefficiente Antimateria prodotta al CERN o FERMILAB negli ultimi anni: nanogrammi Ci vorrebbe 1 miliardo di anni per farne un grammo Al momento, con l antimateria prodotta agli acceleratori, riusciremmo a tenere accesa una lampadina da 100 W per non piu di 3 minuti.

43 Come si forma il positronio Vacuum Solid Positron beam Ps Ps

44 Massima produzione al CERN: miliardi di antiprotoni/anno Corrisponde a soli 0.3 nanogrammi di antimateria!!

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