Materia e antimateria Gemma Testera Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Genova 18 novembre 2008
Sommario Cosa e l antimateria Dove e e come la si produce Perche studiare atomi di antimateria Come si formano gli antiatomi
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
I mattoni fondamentali μ π K p e n ρ Λ Σ
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
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
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)
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
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
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
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???
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
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
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
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
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
Misure dei livelli energetici dell (anti) idrogeno 1S-2S idrogeno 2 466 061 413 187 103 (46) Hz 15 cifre decimali! La stessa precisione con antidrogeno fornirebbe il test di CPT piu preciso che mai sia stato fatto per barioni!
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)
Non sono mai state misurate violazioni del principio di equivalenza per materia Esperimenti con bilance di torsione: 12-13 cifre decimali!!
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
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
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
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 300.000 Km/sec 1GeV= 10 13 K 10 6 K 273 K 10 K 0.1 K 0.001 K 0.0000001K Energia iniziale degli antiprotoni Antihidrogeno prodotto da ATHENA-ATRAP Obiettivo del nuovo Esperimento AEGIS Esp. futuri Interferometria con antiatomi
LHC: 27 Km di lunghezza La fabbrica della antimateria al CERN : AD (Antiproton Decelerator) AD: solo 188 metri
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
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
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 60.000 volte piu alto del campo magnetico terrestre Gli antiprotoni sono catturati in volo: circa uno ogni 10.000 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
La prima trappola di ATHENA
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 1000-10000 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.)
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
Comunicare con l antimateria Parametro che descrive la forma del plasma Ottengo Densita Dimensioni del plasma Numero di particelle sec
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
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) 0.001 ev
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
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 100-1000 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 *
Come si misurera g? 2 grate materiali con scanalature periodiche, orizzonatli con passo di 80-100 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
Il fascio cade mentre attraversa le grate x g V h = 600 m/s Grating units
x g V h = 600 m/s V h = 400 m/s
x g V h = 600 m/s V h = 300 m/s Grating units
x g V h = 600 m/s V h = 250 m/s
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!!
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.
Come si forma il positronio Vacuum Solid Positron beam Ps Ps
Massima produzione al CERN: 200.000 miliardi di antiprotoni/anno Corrisponde a soli 0.3 nanogrammi di antimateria!!