E DINTORNI. Uno sguardo alle particelle elementari che esistono in natura e a quelle che non esistono in natura!

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1 ANTIMATERIA E DINTORNI Uno sguardo alle particelle elementari che esistono in natura e a quelle che non esistono in natura! Grazie a Paolo Vitulo Univ.Pavia ( mio compagno di avventure per le scuole superiori ) i e a Oreste Nicrosini - INFN Pavia Gemma Testera INFN Genova Paolo Montagna Ricercatore in Fisica Nucleare sull antimateria Dip.Fisica Università di Pavia - INFN Sezione di Pavia Docente di Fisica Medica e Radioattività nei corsi di laurea delle Professioni Sanitarie

2 Di cosa siamo fatti? 1m 1 10 µm = m 2 3 nm = m pag.2

3 Di cosa siamo fatti? 1 fm = m 1 10 Ǻ = m elettrone: J.J. Thompson (1897) nucleo: E. Rutherford (1911) neutrone: J. Chadwick (1932) Radiografia dl del protone: SLAC (1969) M. Gell-Mann, K. Nishijima, Y. Ne eman, G. Zweig, R. Feynman, J. Bjorken, J.I. Friedman, H.W. Kendall, R.E. Taylor pag.3

4 Una botta di energia! Avvertenza: in Fisica Nucleare l energia si misura sempre in elettronvolt: 1 ev è l energia acquisita da un elettrone quando viene accelerato tra due punti tra cui c è una differenza di potenziale di 1 V. Cioè (da L=qV): 1 ev = ( C) (1 V) = J Per spaccare l atomo, il nucleo, il nucleone ci vuole energia sempre più alta: 1 ev per togliere un elettrone a un atomo 1 MeV = 10 6 ev per togliere un nucleone a un nucleo 1 GeV = 10 9 ev per vedere effetti che coinvolgono i quarks Energia LHC-CERN: CERN: 14 TeV = ev pag.4

5 Produzione di particelle L energia può essere trasformata in massa e viceversa: E=mc 2 Particelle singole di materia (es. protoni) possono essere accelerate fino a velocità prossime a quelle della luce Quando urtano un bersaglio l energia si trasforma in massa e si producono nuove particelle Se c è un campo magnetico, le particelle cariche curvano in direzione opposta a seconda della loro carica e possono così essere identificate pag.5

6 I mattoni fondamentali E così sono state scoperte, dagli anni 30 a oggi, moltissime particelle subatomiche che non esistono in condizioni normali. Oggi sappiamo che la materia che conosciamo è formata da due tipi di particelle elementari: leptoni e quarks (6+6, di tre diverse famiglie) pag.6

7 Ma altri mattoni sono ugualmente possibili E stato dimostrato teoricamente verificato sperimentalmente che è possibile un antimondo uguale ed opposto in cui le particelle elementari sono antiparticelle con massa uguale carica (elettrica e non solo) opposta pag.7

8 Lo tsunami della Fisica All inizio del XX secolo, in pochi anni la Fisica classica viene rivoluzionata: Einstein 1905: Relatività Moto dei corpi a velocità prossime a quella della luce De Broglie, Pauli, Schodinger, Heisemberg : Meccanica Quantistica Descrizione della realtà a livello subatomico/microscopico in termini non più deterministici ma probabilistici La meccanica classica associa con certezza un risultato a ogni misurazione. La meccanica quantistica esprime la probabilità di ottenere un dato risultato da una certa misurazione. ( e il gatto di Schrodinger sarà vivo o morto?... Mah!) La meccanica quantistica è la teoria fondamentale dei fenomeni atomici. Uno dei risultati più interessanti è il principio di indeterminazione di Δ p Δ x Heisenberg: non è possibile determinare contemporaneamente e in modo preciso la posizione spaziale e l impulso di una particella. Allo stesso modo, un sistema può mantenere uno stato energetico indefinito per un breve intervallo di tempo (si può violare il principio di conservazione dell energia ma solo per un istante brevissimo) x ΔE Δt pag.8

9 Paul Adrien Maurice Dirac ( ), Premio Nobel 1933 L ipotesi di Dirac Nel 1928 Dirac deriva l'equazione che prende il suo nome e che descrive l'elettrone da un punto di vista relativistico. Nel 1930 Dirac predice l'esistenza del positrone, particella con la stessa massa e carica opposta dell'elettrone. Nel 1932 Anderson osserva effettivamente il positrone tramite studi sui raggi cosmici. TEORIA ESPERIMENTO 1932 = PREMIO NOBEL 1933 L equazione di Dirac tenta di conciliare meccanica quantistica e meccanica relativistica e parte dalla formula relativistica per l energia di una particella: E 2 = (pc) 2 + (mc 2 ) 2 E = ± ( pc) ( mc Ma questa equazione ha un evidente problema: ha DUE soluzioni! Cioè è soddisfatta sia per valori di energia positiva sia per valori di energia negativa! Energie negative non hanno senso... Eppure l equazione funziona, cioè descrive molto bene le proprietà dell elettrone. E se è corretta, le stesse proprietà devono valere per un elettrone positivo, in tutto uguale all elettrone ma con carica elettrica opposta. ) 2 pag.9

10 La scoperta del positrone Immagine di camera a nebbia che dimostra per la prima volta l esistenza dell antielettrone o positrone (1932) Una particella carica di alta energia entra dal basso e dopo aver perso energia in uno strato di 6 mm di piombo riemerge con una energia minore. Il rivelatore è posto in un campo magnetico. Dalla curvatura si deduce che la traccia ha carica elettrica positiva. Dalla perdita di energia nel piombo e dalla lunghezza del percorso dopo la lastra si deduce che la particella ha massa dell ordine della massa dell elettrone. Carl D.Anderson, Physical Review, vol.43, p.491(1933) pag.10

11 Come si produce l antimateria? Tecnica per la produzione di antiprotoni: Possiamo produrre antimateria (ad es. antiprotoni) con gli acceleratori, sfruttando la trasformazione energia-massa: E = mc 2 Particelle di materia (es. protoni), accelerate a velocità prossime a quella della luce, vengono sparate su un bersaglio. La loro energia si trasforma in massa e, con probabilità diverse, possono essere prodotte diverse particelle, tra cui antiprotoni, a energie elevate e velocità prossime a quella della luce. Si osserva che le particelle di antimateria vengono sempre prodotte in coppie con le corrispondenti particelle di materia (conservazione n.barionico). Creazione di coppie e + e - in camera a nebbia pag.11

12 L antimateria al CERN LHC: Large Hadron Collider lunghezza 27 km AD: Antiproton Decelerator lunghezza 188 m pag.12

13 L annichilazione antimateria-materia L antimateria si può produrre agli acceleratori di particelle ed è del tutto identica alla materia ordinaria: ugual massa, ugual vita media, carica opposta (non solo elettrica). Ma ha una particolarità: quando una particella incontra la sua antiparticella, esse si annichilano l un l altra trasformando in energia la loro massa. es. e - + e + 2 γ (m e- =m e+ = 511 kev E γ = 511 kev) pag.13

14 Breve storia dell antimateria 1928 Dirac: previsione dell esistenza di antimateria 1932 Anderson: osservazione del positrone nei raggi cosmici 1955 Segré, Chamberlain: rivelazione dell antiprotone 1959 Kork: rivelazione dell antineutrone 1965 Zichichi, Lederman: rivelazione dell antideutone, primo nucleo atomico di antimateria 1980 particelle di antimateria prodotte con acceleratori (CERN, FERMILAB) 1990 diversii esperimenti i agli acceleratori e nello spazio per lo studio dell antimateria 1995 CERN, FERMILAB: primi atomi di antidrogeno 2002 CERN, esp.athena: milioni di atomi di antidrogeno 2006 esperimenti al CERN per studiare le proprietà dell antidrogeno pag.14

15 L atomo Latomo di antiidrogeno Il 18 settembre 2002 la Collaborazione ATHENA (circa 40 fisici, di cui 15 italiani di Pavia, Genova e Brescia) annuncia su Nature di aver prodotto e intrappolato, con una nuova tecnica elettromagnetica a bassissime temperature, almeno atomi di antiidrogeno. pag.15

16 ATHENA: trappole per antimateria ATHENA Appara- Tus for High-precision Experiments on Neutral Antimatter In due punti diversi vengono intrappolati gli antiprotoni e i positroni, che vengono poi fatti incontrare a temperature molto basse (con pochissima energia) in modo da permetterne la ricombinazione grazie alla reciproca attrazione. Il sistema antiprotone-protone che si forma (antiidrogeno) è elettricamente neutro, e sfugge verso le pareti. pag.16

17 ATHENA: ecco l antiidrogeno L antiidrogeno viene rivelato quando annichila sulle pareti della camera. L annichilazione contemporanea di un antiprotone (che produce mesoni carichi) e di un positrone (che produce due fotoni da 511 kev in direzioni opposte) è la firma (signature) dell avvenuta creazione dell antih. pag.17

18 Perché studiare l antimateria? L antimateria non esiste, ma esiste! Perché? Materia e antimateria si formano in coppia e annichilano in coppia. Nel Big Bang materia e antimateria dovrebbero essersi formate in modo identico. Perché allora nell universo ci sono solo particelle di materia e non di antimateria? C è forse qualche luogo dell universo dove è finita l antimateria? C e forse qualcosa di asimmetrico nel modo in cui materia e antimateria interagiscono? Finora, gli esperimenti di laboratorio ci dicono che le asimmetrie, se esistono, sono molto piccole e non sufficienti a spiegare la mancanza di antimateria nell universo. Ma materia e antimateria sono proprio identiche? Si comportano esattamente allo stesso modo? pag.18

19 A caccia di antimateria nello spazio p pag.19

20 Teorema CPT Simmetrie e implicazioni (fondamentale per la Fisica Moderna): Tutte le leggi fisiche non cambiano se a un sistema si applicano in sequenza e in ogni ordine TRE operazioni: Coniugazione g di carica C Scambio di parità P Inversione temporale T Il teorema CPT per ora è sempre stato verificato. Come conseguenza, ha che particelle e antiparticelle DEVONO avere: carica (non solo elettrica) uguale e opposta stessa massa stessa vita media stesso momento magnetico

21 Perché studiare l antiidrogeno? Se vale il teorema CPT, anche le proprietà p degli atomi di materia e di antimateria devono essere assolutamente identiche. Ad esempio gli atomi devono avere uguali livelli energetici e ugual vita media degli stati eccitati. Formare e studiare antiatomi ci può aiutare a capire se esistono piccole violazioni della simmetria tra materia e antimateria Ad es. la differenza di energia tra gli stati 1S e 2S dell atomo di idrogeno è stata misurata con 15 cifre decimali.la stessa precisione con antiidrogeno fornirebbe il test di CPT più preciso mai eseguito! e la gravità? E davvero la stessa tra materia e antimateria? Apple Anti-Apple G G? Earth Earth pag.21

22 Perché serve l antiidrogeno per misurare l antigravità? i L Lancio proiettili da un cannone orizzontale Non vanno orizzontali ma cadono h h g Se misuro h ricavo g Fascio di antimateria Rivelatore di posizione Esempio : h=10 μm H h L Se le particelle dei fasci hanno velocità vicine a quelle della luce L= alcune centinaia di Km.. Occorrono particelle Fascio di antiidrogeno lento con velocità molto bassa e neutre Esperimento AEGIS (Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy) CERN, 2010, p// / g / 60 fisici, 30 italiani da GE-MI-PV-BS-PD-TN pag.22

23 Quanta energia produce l antimateria? L annichilazione antimateria-materia produce energia. Quanta? Semplice: E = mc 2 E/m = c 2! In unità MKS l energia prodotta per 1 g di antimateria è E = (10-3 kg) ( m/s) 2 = J! Tanto per farsi un idea L energia necessaria per far partire un auto da 1000 kg da ferma a 100 km/h è E = ½ m(δv) 2 = 0.5 (1000 kg) (27.78 m/s) 2 = J. Quindi con l energia di annichilazione di 1 g di antimateria si possono lanciare a 100 all ora 233 milioni di auto In termini di consumi elettrici domestici: 3 kwh = (3000 W) (3600 s) = 3 ( J), al costo di circa 0.20 /kwh, l annichilazione di 1 g di antimateria produce J/( J/kWh) = kwh. Cioè il consumo massimo giornaliero (3 24 = 72 kwh) dell impianto domestico per kwh/(72 kwh/gg) = giorni 951 anni! E poiché 1 tonnellata di tritolo genera un energia di J, una bomba da 1 g di antimateria avrebbe la stessa energia di J/( J/ton) = 2250 kg di tritolo! Come la prima bomba atomica pag.23

24 Ma quanta antimateria è stata prodotta? Per fortuna, 1 g di antimateria non è MAI stato prodotto! Al Cern, a LEP Large Electron-Positron accelerator, quanta antimateria c era nei fasci di positroni? Nel periodo di massima intensità la corrente per fascio era 3 ma. Le particelle prodotte erano quindi: ( C/s)/( C) = positroni/secondo. Tra le collisioni c era un intervallo di 22 μs, per cui in ogni collisione erano coinvolti ( /s) ( s) = positroni, Fiuuu. cioè una massa di antimateria di Scampato ( ) ( kg) = kg. pericolo! Quindi l energia prodotta nelle collisioni era di ( kg) ( J/kg) = J. Secondo una stima di Marco Radici (INFN Pavia), la quantità totale di antimateria finora prodotta agli acceleratori è di circa 10 nanogrammi all anno anno (10-8 g/anno) pag.24

25 Ma l antimateria serve a qualcosa? Come tutta la ricerca scientifica fondamentale, sembra inutile e costosa. Ma quando meno te lo aspetti PET Positron Emission Therapy Principio fisico: Decadimento β + di un radioisotopo Annichilazione e + e - 2γ da 511 kev a 180 Rivelazione in coincidenza dei due fotoni γ Ricostruzione 3dim dell immagine pag.25

26 Imaging g 3D con PET PET TAC In generale, si ottiene una diagnosi migliore usando informazioni complementari ottenute con tecniche diagnostiche diverse PET pag.26

27 Due parole di conclusione La materia del nostro universo è materia. E non è antimateria. Per qualche motivo misterioso, l antimateria pur prevista e prevedibile non esiste, sembra sparita di fronte alla materia. L antimateria può essere comunque prodotta in laboratorio sotto forma di coppie di particelle e antiparticelle. Queste ultime poi annichilano con le rispettive particelle producendo una energia elevata, anche se di entità limitata a causa della quantità microscopica di antimateria prodotta. Al CERN si è realizzato uno stato atomico di antimateria (antiidrogeno), e si fanno molti esperimenti per studiarne le proprietà, alla ricerca di eventuali asimmetrie rispetto alla materia. La ricerca sull antimateria, nata e sostenuta dalla curiosità scientifica di capire i misteri dell universo, ha già portato a utilizzi pratici dell antimateria, in particolare nella produzione di radioisotopi a scopo diagnostico, utilizzati soprattutto nell imaging g mediante PET. La scienza continua le sue ricerche, tra successi e insuccessi, ma con la forza del metodo che le è proprio, il metodo scientifico: provando e riprovando Lo abbiamo visto anche recentemente con un esempio clamoroso: la velocità dei neutrini. ti i pag.27

28 Come lavora la scienza: un esempio Neutrini superluminali? L esperimento OPERA (INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso) I neutrini sono leptoni a massa quasi nulla, e quindi devono viaggiare quasi alla velocità della luce, che secondo Einstein è comunque la velocità limite nel vuoto. Esistono tre tipi di neutrini: ν e, ν μ e ν τ, che secondo la Meccanica Quantistica possono oscillare, cioè trasformarsi l uno nell altro Al Gran Sasso l esperimento OPERA ha osservato l oscillazione ν μ ν τ tra neutrini sparati dal CERN attraverso la crosta terrestre Come risultato collaterale, ha ottenuto una misura indiretta della velocità di questi neutrini. SORPRESA!!! S pag.28

29 Il viaggio dei neutrini: dubbi : OPERA experiment invites scrutiny of unexpected results The OPERA experiment, which observes a neutrino beam from CERN 730 km away at Italy's INFN Gran Sasso Laboratory, will present new results in a seminar at CERN today. The OPERA result is based on the observation of over neutrino events measured at Gran Sasso, and appears to indicate that the neutrinos travel at a velocity 20 parts per million above the speed of light, nature s cosmic speed limit. Given the potential far-reaching consequences of such a result, independent measurements are needed before the effect can either be refuted or firmly established. This is why the OPERA collaboration has decided to open the result to broader scrutiny. A view of the OPERA detector in Gran Sasso, Italy. Neutrino beams from CERN in Switzerland are sent over 700 km through the Earth's crust to the laboratory in Italy. pag.29

30 Il viaggio dei neutrini: n certezze (!?) P.Montagna apr-12 Le scienze e il metodo scientifico Fisica Medica Professioni Sanitarie Tecniche pag.30

31 Il viaggio dei neutrini: errori ADDIO NOBEL Neutrini, lascia il fisico Ereditato Da suo esperimento neutrini ti i sembravano più veloci della luce 30 marzo, 20:16 La scienza sbaglia, ma sa come correggere da sola i suoi errori: provando e riprovando (Galileo) pag.31