S.I.S. 2007/2008. Laboratorio di fisica nucleare. L antimateria. Ivana Debernardi Marco Romanetto

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1 S.I.S. 2007/2008 Laboratorio di fisica nucleare L antimateria Ivana Debernardi Marco Romanetto

2 Contesto Classe: V Liceo Scientifico PNI Ore di lezione settimanali: 3h Durata: 4h Prerequisiti Cenni di struttura della materia (protoni, neutroni, elettroni) Elettromagnetismo e gravità Concetti di base di Relatività ristretta e di Meccanica Quantistica Metodologia Lezione dialogata e frontale, con supporto di tecnologie informatico didattiche. L argomento si presta a numerosi collegamenti con altri temi sia come ripasso sia come introduzione di altri argomenti.

3 Obiettivi didattici Avere consapevolezza di cosa sia l antimateria Conoscere i principi di base del funzionamento di alcuni esperimenti di fisica nucleare e le difficoltà ad essi associati Avere un idea delle applicazioni pratiche odierne dell antimateria e di cosa invece rimane nell ambito della fantascienza Obiettivi trasversali Avere consapevolezza dell utilità della ricerca in ambiti spesso non prevedibili Acquisire un linguaggio corretto ed adeguato Essere capaci di analizzare e schematizzare situazione reali Avere la capacità di collegare logicamente i vari concetti e le varie situazioni e cogliere il flusso cronologico degli eventi

4 La scoperta dell antimateria All inizio degli anni 20 del 900 la fisica aveva elaborato due teorie fondamentali, riconosciute valide ancora oggi: la meccanica quantistica e la relatività. La relatività, in particolare quella ristretta, descriveva le leggi della meccanica per velocità prossime a quella della luce. La meccanica quantistica, invece, descriveva il comportamento delle particelle elementari sia come onde che come quanti. Il problema era che questa nuova teoria quantistica non era relativistica e quindi valeva solo per particelle lente.

5 1928 Paul Dirac scrive un equazione che tiene conto di tutte e due le teorie per descrivere il comportamento dell elettrone. Questa equazione pose un importante problema: Essa ha due soluzioni, una per un elettrone con energia positiva e una per un elettrone con energia negativa. Questo in analogia con un equazione del tipo x2 = 4 che ha due soluzioni: x = 2 e x = 2. Ciò non sembrava sensato! Dirac interpretò questo risultato supponendo che tutte le particelle avessero una antiparticella con carica opposta (quindi che esistesse per esempio un antielettrone con carica positiva).

6 1930 Victor Hess scopre i raggi cosmici Carl Anderson, studiando gli sciami di raggi cosmici in una camera di Wilson, nota una traccia lasciata da qualcosa di carica positiva e con la stessa massa di un elettrone

7 Anderson chiamò questa nuova particella scoperta, l antielettrone, positrone, confermata poi anche da Occhialini e Blanckett Emilio Segrè rivela l antiprotone, utilizzando il Bevatrone (un acceleratore di particelle) Una seconda equipe di fisici, lavorando sempre con il Bevatrone, scopre l antineutrone. A questo punto la questione era di trovare l antinucleo e l antiatomo.

8 1965 Antonio Zichichi, utilizzando il Sincrotrone a Protoni (PS) del CERN, e Leon Lederman, lavorando al Sincrotrone del Laboratorio Nazionale di Brookhaven di New York scoprono un nucleo di antideuterio. nucleo di antideuterio antiprotone _ antineutrone

9 1995 Alcuni fisici al CERN forzano un positrone a legarsi ad un antiprotone, dando vita ad un atomo di antidrogeno. atomo di antidrogeno nucleo di antidrogeno antiprotone _ + positrone

10 Cosa differenzia la materia dall antimateria? Particelle cariche: la carica è opposta Tutte le particelle: lo spin è opposto + _

11 Cosa succede se materia e antimateria si incontrano? Avviene quella che i fisici chiamano annichilazione e cioè le particelle e le antiparticelle si trasformano in energia secondo la relazione di Einstein E = mc2. + _ E > 1022 kev γ γ In particolari condizioni questo processo può essere invertito e cioè quando una radiazione elettromagnetica sufficientemente energetica attraversa la materia (cosa che fu indispensabile a Anderson per scoprire il positrone).

12 Utilizzazione dell antimateria L antimateria ha avuto anche delle applicazioni pratiche, oltre che di ricerca scientifica, per esempio nella PET (Positron Emission Tomography). In questa tecnica si inietta nel corpo umano un fluido composto da nuclei radioattivi, che si concentra in alcuni organi da analizzare e decade emettendo positroni.

13 Tali positroni si annichilano con un elettrone di un atomo vicino e tutta l energia esce sotto forma di due raggi gamma emessi in direzioni opposte fra loro, che raggiungono uno scintillatore, dove creano un lampo luminoso amplificati da dei fotomoltiplicatori. In questo modo si possono ottenere varie immagini di sezioni dell organo da analizzare e dalle quali si può poi ricostruire un immagine tridimensionale. Immagine di una tipica sezione del cervello La PET è usata in oncologia clinica e nelle ricerche cardiologiche e neurologiche.

14 Antimateria e fantascienza L antimateria da quando è stata scoperta ha sempre evocato scenari futuristici, forse perché fa pensare a strani antimondi. Tantissimi sono i film e i libri di fantascienza che la hanno usata, chiaramente spesso senza basi scientifiche. Esempi più famosi sono i robot con il cervello positronico di Isaac Asimov e la serie di film e telefilm di Star Trek, dove l astronave Enterprise viaggia nell iperspazio con un motore a curvatura che utilizza l energia ricavata dall annichilazione di materia e antimateria.

15 Un motore a antimateria? In teoria è una buona idea basti pensare che 42 milligrammi di antiprotoni possiedono l energia di chilogrammi di carburante tradizionale. Soprattutto per i viaggi spaziali si potrebbe pensare che il motore ad antimateria sia quello del futuro. Vi sono però dei problemi. La produzione: per avere 1 kg di antimateria il dispositivo AD del CERN deve funzionare ininterrottamente per 100 mila miliardi di anni! La conservazione: deve essere sospesa elettrostaticamente per non toccare la materia intorno! La trasformazione in spinta propulsiva dell energia liberata: un problema oggi molto lontano dalla soluzione In ogni caso l antimateria deve essere prodotta e quindi non è una fonte di energia, ma solo un vettore. Il motore ad antimateria quindi rimane per ora fantascienza.

16 Esistono i mondi di antimateria? Questa domanda se la pose già Dirac. La teoria standard del Big Bang prevede che a un certo momento le condizioni dell Universo, nei suoi primi istanti di vita, hanno consentito la creazione delle particelle.

17 In seguito a causa dell espansione la densità e la temperatura hanno cominciato a diminuire consentendo: Formazione protoni e neutroni Formazione nuclei elementi più semplici Formazione atomi (circa anni dal big bang). Il mare di fotoni ad alta energia che permeava tutto lo spazio interagisce molto poco con la materia: l Universo diventa trasparente. Circa un miliardo di anni dopo il big bang: la gravità prende il sopravvento e comincia a creare il cosmo che conosciamo (stelle, galassie, ammassi di gas, ecc ) La creazione di materia comporta però sempre la creazione di antimateria.

18 Dov è l antimateria dell Universo? Il sistema solare è palesemente fatto di materia e così sembrano anche le stelle vicine. Difficile però rivelare l antimateria perché all osservazione appare identica alla materia. Per cercare di capire se nel cosmo vi è antimateria e in che quantità sono stati ideati vari esperimenti.

19 L esperimento AMS È posto sulla Stazione Spaziale Internazionale Il suo compito è rilevare antimateria nei raggi cosmici, fatto che indicherebbe la sua esistenza in lontane regioni del cosmo.

20 AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) è un progetto con un importante partecipazione italiana. Il dispositivo è composto di un grande magnete superconduttore (raffreddato a 272 C) in cui entrano le particelle cariche provenienti dallo spazio esterno. All interno del magnete vi sono 6 strati sottili di silicio. Inoltre all inizio e alla fine del magnete vi sono dei contatori a scintillazione collegati a dei fotomoltiplicatori che raccolgono i lampi di luce emessi quanto vengono attraversati da una particella.

21 Le particelle cariche che entrano nel magnete vengono deflesse in una direzione o nell altra a seconda del tipo di carica e questo viene rilevato dagli strati di silicio, che fungono da elementi traccianti. Attraverso gli scintillatori si riesce d altro canto a rilevare il tempo che occorre alla particella per attraversare il rivelatore e quindi la sua velocità. Per misurare la carica si osserva quanto la particella viene rallentata dalla forza elettrica che si instaura con gli elettroni degli strati di silicio in cui passa. Per misurare la massa, invece, si valuta la deflessione provocata dal campo magnetico e la sua velocità.

22 Vi sono vari metodi (dagli stessi scintillatori al software) per filtrare tutto ciò che non interessa. In effetti si cercano essenzialmente nuclei di antielio, perché sono gli unici che difficilmente vengono prodotti dall interazione tra raggi cosmici e mezzo interstellare e che quindi sarebbero la prova dell esistenza di antimateria in qualche sperduto luogo dell Universo. La sensibilità di AMS 2 è circa volte superiore agli esperimenti precedenti, che non hanno dato risultati significativi.

23 Rilevazioni di grandi emissioni di energia Quando materia e antimateria si incontrano, annichilano e producono enormi quantità di energia sotto forma di raggi γ. Osservando queste emissioni si possono ricavare informazioni sulla presenza di antimateria nel cosmo. Le supernove Le grandi stelle quando esauriscono il combustibile nucleare presente nel loro nucleo collassano espellendo i loro strati esterni. Durante questo evento, la supernova, vengono emessi anche neutrini in grande quantità. Se la stella progenitrice è una antistella dovrebbe essere prodotto un numero di antineutrini molto maggiore di quello dei neutrini.

24 Cosa dicono le osservazioni sulla presenza di antimateria nel cosmo La presenza di antimateria sembra non superare 1 parte su 10 miliardi rispetto alla materia. Per esempio i raggi cosmici indicano che nella nostra galassia non possono esserci regioni di antimateria con una massa superiore al quadruplo di quella del Sole. Esiste allora l antimateria in quantità uguali alla materia? E se sì, dov è?

25 I fisici danno due possibili risposte a queste domande. 3) Vi sarebbero domini separati di materia e antimateria nell universo Per ora i dati non sono compatibili con la presenza di grandi domini di antimateria nell universo osservabile. 2) Qualcosa è andato storto all antimateria dopo pochi secondi dal Big Bang Questa ipotesi comporta una modifica delle attuali spiegazioni del mondo delle particelle, in particolare per quel che riguarda il cosiddetto decadimento doppio β. Per capire di cosa si tratta bisogna partire dalle interazioni fondamentali.

26 Le interazioni fondamentali della natura La forza gravitazionale: agisce sulle masse La forza elettrica: agisce sulle cariche elettriche La forza nucleare forte: agisce a livello delle particelle elementari È responsabile della coesione tra protoni e neutroni nei nuclei atomici

27 La forza nucleare debole: agisce a livello delle particelle elementari È responsabile del decadimento β. _ + n β ) p+ e + ν + ( decadimento oppure n + ν p+ + e Vi sono vari tipi di decadimento β, interessante è il cosiddetto doppio decadimento β.

28 Il doppio decadimento β 2n 2 p+ 2 neutrini + 2 e + 2 ν naturale, ma rarissimo, per esempio nel germanio 76 che si trasforma nel selenio 76 Questo decadimento trasforma 2 neutroni in 2 protoni emettendo 2 elettroni e 2 neutrini. Esso non è però l unico doppio decadimento β ipotizzato, ve ne è anche un altro molto importante nell investigare l origine dell Universo.

29 Il doppio decadimento β n p+ + e + n + senza neutrini ν ν p+ + e Questo decadimento trasforma sempre 2 neutroni in 2 protoni, ma solo 2 elettroni vengono emessi. Questo perché l antineutrino emesso dal primo decadimento viene assorbito nel secondo decadimento come se fosse un neutrino. Il neutrino quindi si comporterebbe contemporaneamente sia come una particella che come una antiparticella ( particella di Majorana ).

30 Il doppio decadimento β senza neutrini, se effettivamente avviene, potrebbe spiegare la ragione per la quale l Universo è così come lo vediamo. Perché? All inizio dell Universo vennero prodotte tante particelle che antiparticelle. Lo strano comportamento del neutrino potrebbe avere prodotto un piccolo sbilanciamento della quantità di materia rispetto alla quantità di antimateria, si pensa 1 parte su 10 miliardi. Particelle e antiparticelle si sarebbero tutte annichilate tranne la poca materia in eccesso dalla quale deriverebbe tutto l Universo attuale. Diventa importante quindi capire se il decadimento β avviene in natura.

31 L esperimento GERDA ai laboratori nazionali del Gran Sasso Il decadimento β senza neutrini è stato già stato osservato (in particolare nell esperimento Heidelberg Moscow), ma non confermato. Il compito di confermarlo è affidato a GERDA, che utilizza il germanio 76. Altre ricerche La ricerca sull antimateria procede anche in altre direzioni: per esempio al CERN si cerca di capire se lo spettro dell antidrogeno è completamente identico a quello dell idrogeno. È stata anche creata una molecola di positronio (composta di materia e antimateria).

32 Conclusioni Fino a oggi le varie ipotesi sulla scomparsa vera o apparente dell antimateria dal cosmo non hanno ancora trovato ragionevoli conferme. Potrebbero effettivamente esistere le asimmetrie ipotizzate nelle leggi della natura oppure potrebbero esistere da qualche parte residui di antimateria del big bang o anche veri e propri antimondi, forse più estesi dell Universo visibile. Sia come sia l antimateria rimane sicuramente uno degli argomenti scientifici più intriganti su cui indagare.

33 Fonti L astronomia n. 281 Mensile di scienza e cultura Alla ricerca dell antimateria E. Maraffino (sito divulgativo dell Università di Bologna) (sito divulgativo del CERN) (sito gestito dalla società di radiologia americana) (sito dell esperimento AMS)