Alla scoperta dell'antimateria
Antimateria e antiparticelle: come sono state previste,
scoperte e quali sono le loro ricadute tecnologiche
di Antonella Ravizza - 07/04/2015
Alla scoperta dell'antimateria
Tutto ciò che ci circonda è fatto di materia. Ma se la
materia è ovunque attorno a noi, che cosa è l'antimateria? Cerchiamo di
rispondere in modo semplice alla domanda.
La fisica quantistica ha dimostrato che tra le particelle
esiste una simmetria: per ciascuna di esse può essercene una simmetrica, avente
la stessa massa, ma una carica elettrica opposta e altre proprietà uguali,
oppure uguali ma con segno opposto. A ogni particella corrisponde quindi un'
“antiparticella”; così l’elettrone ha come antiparticella una particella di
carica positiva: il positrone; il protone ha l’antiprotone, e così via. Però la
distinzione tra particella e antiparticella è del tutto convenzionale. Sono
chiamate “particelle” quelle che si trovano in superiorità nel nostro ambiente
fisico, come gli elettroni e i protoni. In tale ambiente le loro antiparticelle
scompaiono per annichilazione. Quando una particella e la sua antiparticella si
incontrano, si annichilano in energia pura, ovvero si ha trasformazione della
materia coinvolta in radiazione elettromagnetica sotto forma di fotoni ad alta
energia (raggi gamma), oppure le particelle coinvolte si trasformano in altre
coppie di particelle-antiparticelle, in ogni caso tali che la somma
dell'energia totale, precedente e seguente l'evento, rimanga costante, in
accordo al principio di conservazione della massa-energia. Questa energia può
dar vita a particelle, prive di carica, mediatrici di forza, come fotoni,
bosoni o gluoni.
Il simbolo di un'antiparticella è un trattino (barra)
sopra il simbolo della corrispondente particella materiale. Per generare le
antiparticelle si può produrre un urto tra due particelle ad alta energia. In
questo caso una parte di energia si converte in materia e antimateria.
L'equazione di Dirac e la scoperta del positrone
Per chiarire meglio l’esistenza delle antiparticelle
torniamo indietro nel tempo.
L’inizio del ventesimo secolo fu un periodo molto
importante per la fisica. Albert Einstein, infatti, nel 1905 presentò la teoria
della relatività ristretta, mentre negli anni venti Erwin Schrödinger e Werner
Heisenberg proposero la teoria quantistica, ma queste due teorie non erano
collegate.
Dobbiamo attendere solo il 1928 per vedere combinate la
teoria quantistica con la relatività generale, quando Paul Dirac introdusse
un’equazione che, però, aveva il problema di prevedere un elettrone con carica
positiva e uno con carica negativa, il che andava contro alla teoria classica
secondo la quale, per gli elettroni, non erano previste cariche positive.
Dirac, nella sua teoria, si riferiva in particolare al moto degli elettroni
immersi in campi elettrici e magnetici. Questa teoria descriveva i risultati
delle misure sperimentali in modo veramente molto preciso e portò a una
conclusione importante: l’elettrone doveva avere una “antiparticella”, con la
stessa massa, ma con carica elettrica opposta a quella negativa del normale
elettrone, quindi positiva. L’idea definitiva fu che ogni particella dovesse
avere una sua corrispondente antiparticella, con la stessa massa, ma con carica
opposta. La previsione di Dirac fu confermata sperimentalmente nel 1932, quando
il fisico americano Carl David Anderson trovò nei raggi cosmici la presenza di
una particella che si comportava come un elettrone ma che aveva la positiva:
era l’antielettrone, chiamato anche positrone.
La scoperta dell'antiprotone e di altre antiparticelle
Per scoprire l’antiprotone, cioè l’antiparticella del
protone, si dovette aspettare la costruzione di potenti acceleratori di particelle
in grado di accelerare protoni o elettroni fino a ottenere energie elevate.
Negli anni Cinquanta un acceleratore in California
raggiunse energie sufficienti a produrre antiprotoni e antineutroni. In seguito
gli acceleratori del Cern di Ginevra osservarono l’antideutone e
successivamente gli antinuclei antielio 3 e antitrizio.
Inoltre al Cern sono stati prodotti antiatomi di
anti-idrogeno (anti-H = anti-p + e+) decelerando antiprotoni e antielettroni e
tenendoli "imbottigliati" nel vuoto per mezzo di campi magnetici.
L'anti-idrogeno è più difficile da "intrappolare" perché
elettricamente neutro: la maggior parte degli anti-idrogeni raggiunge una
parete dove annichila con un atomo del mezzo.
Le ricadute tecnologiche: la PET
Oggi l’antimateria è usata in medicina per analizzare lo
stato del cervello per mezzo della PET (Positron Emission Tomography). Essa è
utilizzata in oncologia, in cardiologia e nelle neuroscienze. I positroni,
ottenuti dal decadimento di nuclei radioattivi, vengono incorporati in un
fluido iniettato per via endovenosa. I positroni annichilano con gli elettroni
degli atomi vicini e danno luogo a due raggi gamma emessi in direzioni opposte.
Tali raggi sono raccolti da rivelatori disposti ad anello attorno al paziente
per capire dove si è distribuito il radiofarmaco nel corpo.
Molte antiparticelle attorno a noi sono prodotte dai
raggi cosmici che provengono dallo spazio in tutte le direzioni e che sono
composti soprattutto da protoni e da nuclei di elio. Quando raggiungono l’alta atmosfera
terrestre i raggi cosmici collidono con i nuclei di azoto e di ossigeno
dell’aria. La collisione produce nuove particelle e antiparticelle.
Anil Ananthaswamy
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