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1 noi e... l'antimateria l'antimateria Livio Lanceri - UniTS, Dipartimento di Fisica Prolusione all Anno Accademico

2 l antimateria nella stampa quotidiana nel 1996, pochi mesi dopo la fabbricazione dei primi atomi di anti-idrogeno ai laboratori CERN di Ginevra Liberation (6 gennaio 1996): copertina e lungo articolo Primi passi nell antimondo 2

3 l antimateria in un bestseller, Angels and Demons 3

4 un bestseller, Angels and Demons 4

5 un bestseller, Angels and Demons 4?

6 noi e l'anti-materia la scoperta ( ) ma: serve a qualcosa? (sì!) ricerca: le frontiere attuali 5

7 meccanica quantistica... Energia classica Equazione di Schrodinger E = p2 2m + V i Ψ t = 2 2m 2 Ψ + VΨ Erwin Schrodinger 6

8 meccanica quantistica... Energia classica Equazione di Schrodinger E = p2 2m + V i Ψ t = 2 2m 2 Ψ + VΨ Erwin Schrodinger elettroni negli atomi funzione d'onda Ψ 6

9 meccanica quantistica... Energia classica Equazione di Schrodinger E = p2 2m + V i Ψ t = 2 2m 2 Ψ + VΨ Erwin Schrodinger elettroni negli atomi funzione d'onda Ψ 6 legami chimici, struttura dei materiali,...

10 ... e relatività? 7

11 ... e relatività? luce: fotoni m = 0 v = c = km/s 7

12 ... e relatività? luce: fotoni elettroni m = 0 m v < c v = c = km/s 7

13 ... e relatività? luce: fotoni elettroni m = 0 m v < c v = c = km/s Energia relativistica ( ) 2 E 2 = ( pc) 2 + mc 2? E pc mc 2 equazione d onda per particelle relativistiche, con velocità vicina a c? 7

14 l equazione di Dirac i Ψ t = cα ( i i )Ψ + βmc 2 Ψ α Ψ e β : matrici 4x4, funzione d onda a 4 componenti 8

15 l equazione di Dirac i Ψ t = cα ( i i )Ψ + βmc 2 Ψ α Ψ e β : matrici 4x4, funzione d onda a 4 componenti descrive elettroni relativistici, ma anche qualcosa in più, inaspettato 8

16 elettroni e positroni funzioni d onda a 4 componenti: OK (spin!), ma: E < 0? Ψ 1 Ψ 2 Ψ 3 Ψ 4 9

17 elettroni e positroni funzioni d onda a 4 componenti: OK (spin!), ma: E < 0? spin spin Ψ 1 Ψ 2 Ψ 3 Ψ 4 9

18 elettroni e positroni funzioni d onda a 4 componenti: OK (spin!), ma: E < 0? spin spin Ψ 1 Ψ 2 Ψ 3 Ψ 4 E > 0 OK 9

19 elettroni e positroni funzioni d onda a 4 componenti: OK (spin!), ma: E < 0? spin spin Ψ 1 Ψ 2 Ψ 3 Ψ 4 E > 0 OK E < 0?? 9

20 elettroni e positroni funzioni d onda a 4 componenti: OK (spin!), ma: E < 0? spin spin Ψ 1 Ψ 2 Ψ 3 Ψ 4 E > 0 OK E < 0?? Dirac (1927): idea brillante, ma difficile da accettare: vuoto = mare di elettroni con E < 0 assenza di un elettrone (q < 0, E < 0) del mare = = presenza di particella (antielettrone) con q > 0, E > 0 9

21 elettroni e positroni funzioni d onda a 4 componenti: OK (spin!), ma: E < 0? spin spin Ψ 1 Ψ 2 Ψ 3 Ψ 4 E > 0 OK E < 0?? Dirac (1927): idea brillante, ma difficile da accettare: vuoto = mare di elettroni con E < 0 assenza di un elettrone (q < 0, E < 0) del mare = = presenza di particella (antielettrone) con q > 0, E > 0 9

22 Scoperta del positrone (1932) 10

23 Scoperta del positrone (1932) Millikan (Nobel 1924) assegna al suo studente Carl Anderson (n. 1905) la costruzione di un elettromagnete più potente 10

24 Scoperta del positrone (1932) Millikan (Nobel 1924) assegna al suo studente Carl Anderson (n. 1905) la costruzione di un elettromagnete più potente scopo: analizzare raggi cosmici, in camere a nebbia 10

25 Scoperta del positrone (1932) Millikan (Nobel 1924) assegna al suo studente Carl Anderson (n. 1905) la costruzione di un elettromagnete più potente scopo: analizzare raggi cosmici, in camere a nebbia le particelle, invisibili, lasciano traccia di goccioline nel vapore sopra-saturo 10

26 Scoperta del positrone (1932) Millikan (Nobel 1924) assegna al suo studente Carl Anderson (n. 1905) la costruzione di un elettromagnete più potente scopo: analizzare raggi cosmici, in camere a nebbia le particelle, invisibili, lasciano traccia di goccioline nel vapore sopra-saturo densità delle gocce massa 10

27 Scoperta del positrone (1932) Millikan (Nobel 1924) assegna al suo studente Carl Anderson (n. 1905) la costruzione di un elettromagnete più potente scopo: analizzare raggi cosmici, in camere a nebbia le particelle, invisibili, lasciano traccia di goccioline nel vapore sopra-saturo densità delle gocce massa dalla curvatura in campo magnetico carica elettrica (positiva o negativa) 10

28 Scoperta del positrone (1932) Carl Anderson scopre tracce misteriose... curvatura: particelle con carica positiva (protoni?) ma: densità di traccia non compatibile con il protone! 11

29 Scoperta del positrone (1932) Carl Anderson scopre tracce misteriose... curvatura: particelle con carica positiva (protoni?) ma: densità di traccia non compatibile con il protone! 6 mm Pb 11

30 Scoperta del positrone (1932) Carl Anderson scopre tracce misteriose... curvatura: particelle con carica positiva (protoni?) ma: densità di traccia non compatibile con il protone! 6 mm Pb è un positrone! 11

31 ElettroDinamica Quantistica (QED) 12

32 ElettroDinamica Quantistica (QED) : interpretazione alternativa di E<0 (Stueckelberg e Feynman) time e + E > 0 e E ( ) < 0 12

33 ElettroDinamica Quantistica (QED) : interpretazione alternativa di E<0 (Stueckelberg e Feynman) time e + E > 0 e E ( ) < 0 Teoria relativistica dei campi quantizzati: creazione e distruzione di particelle e antiparticelle QED: Feynman, Schwinger, Tomonaga Nobel

34 dopo il 1950: acceleratori 1 ev 0 ev e - E = 1 ev 1 volt 13

35 dopo il 1950: acceleratori 1 ev 0 ev e - E = 1 ev 1 volt aumentare l energia: perchè? 13

36 dopo il 1950: acceleratori 1 ev 0 ev e - E = 1 ev 1 volt aumentare l energia: perchè? Einstein: E = mc 2 13

37 dopo il 1950: acceleratori 0 ev 1 ev e - 1 volt E = 1 ev ciclotrone 1-10 MeV 1 MeV = = ev aumentare l energia: perchè? Einstein: E = mc 2 sincrotrone GeV - TeV 1 GeV = 1000 MeV 1 TeV = 1000 GeV collider urti frontali esempio: LHC TeV 13

38 Anti-protoni? troppo difficile trovarli nei raggi cosmici! 1955: produzione artificiale con acceleratore (Bevatron di Berkeley) protoni (E > 6.3 GeV) contro bersaglio p + p p + p + ( p + p) Nobel 1959: Segrè, Chamberlain 14

39 Anti-protoni? troppo difficile trovarli nei raggi cosmici! 1955: produzione artificiale con acceleratore (Bevatron di Berkeley) protoni (E > 6.3 GeV) contro bersaglio p + p p + p + ( p + p) Nobel 1959: Segrè, Chamberlain 14

40 Anti-protoni? troppo difficile trovarli nei raggi cosmici! 1955: produzione artificiale con acceleratore (Bevatron di Berkeley) protoni (E > 6.3 GeV) contro bersaglio p + p p + p + ( p + p) anti-protoni: identificati nell annichilazione su idrogeno in camera a bolle: p + p 4π + 4π + Nobel 1959: Segrè, Chamberlain 14

41 Anti-protoni? troppo difficile trovarli nei raggi cosmici! 1955: produzione artificiale con acceleratore (Bevatron di Berkeley) protoni (E > 6.3 GeV) contro bersaglio p + p p + p + ( p + p) anti-protoni: identificati nell annichilazione su idrogeno in camera a bolle: p + p 4π + 4π + Nobel 1959: Segrè, Chamberlain 14

42 Anti-protoni? troppo difficile trovarli nei raggi cosmici! 1955: produzione artificiale con acceleratore (Bevatron di Berkeley) protoni (E > 6.3 GeV) contro bersaglio p + p p + p + ( p + p) anti-protoni: identificati nell annichilazione su idrogeno in camera a bolle: p + p 4π + 4π + π π π π + π + π + π π + p Nobel 1959: Segrè, Chamberlain 15

43 produzione di positroni 16

44 produzione di positroni elettrone( GeV ) 16

45 produzione di positroni elettrone( GeV ) bersaglio tungsteno ( 20mm) 16

46 produzione di positroni elettrone( GeV ) bersaglio tungsteno ( 20mm) elettrone 16

47 produzione di positroni elettrone( GeV ) bersaglio tungsteno ( 20mm) fotone( MeV ) elettrone 16

48 produzione di positroni elettrone( GeV ) bersaglio tungsteno ( 20mm) elettrone fotone( MeV ) elettrone 16

49 produzione di positroni elettrone( GeV ) bersaglio tungsteno ( 20mm) fotone( MeV ) elettrone elettrone positrone 16

50 produzione di positroni elettrone( GeV ) bersaglio tungsteno ( 20mm) fotone( MeV ) magnete elettrone elettrone positrone 16

51 produzione di positroni elettrone( GeV ) bersaglio tungsteno ( 20mm) fotone( MeV ) magnete elettrone elettrone positrone elettrone 16

52 produzione di positroni elettrone( GeV ) bersaglio tungsteno ( 20mm) fotone( MeV ) magnete elettrone elettrone positrone elettrone positrone 16

53 produzione di anti-protoni record: 30 miliardi di antiprotoni all ora, a FermiLab 17

54 produzione di anti-protoni record: 30 miliardi di antiprotoni all ora, a FermiLab 17

55 produzione di anti-protoni record: 30 miliardi di antiprotoni all ora, a FermiLab per ogni 1,000,000 protoni (120 GeV) sul bersaglio 17

56 produzione di anti-protoni record: 30 miliardi di antiprotoni all ora, a FermiLab per ogni 1,000,000 protoni (120 GeV) sul bersaglio 17 raccolti circa 20 antiprotoni (8 GeV)

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