Antimateria
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L'antimateria è un agglomerato di antiparticelle corrispondenti alle
particelle che costituiscono le materie ordinarie. Ad esempio, un
atomo di antidrogeno è composto da un antiprotone caricato
negativamente, attorno al quale orbita un positrone (antielettrone)
caricato positivamente. Se particella ed antiparticella vengono a
contatto, le due si annichiliscono emettendo radiazione
elettromagnetica.
Storia
Il termine di antimateria fu usato per la prima volta nel 1898 da
Arthur Schuster in due lettere inviate alla rivista Nature[1] nelle
quali speculava sulla possibile esistenza di un sistema solare
costituito di antimateria in cui anche la gravità era di segno
opposto, cioè negativa.[2]
La prima seria ipotesi dell'esistenza dell'Antimateria fu ad opera del
fisico Paul Dirac nel 1928 che dedusse l'esistenza di un'
antiparticella dell'elettrone, dotata di carica positiva, quale
risultato della soluzione dell'equazione di Schrödinger. Nel 1932 Carl
David Anderson diede la conferma sperimentale dell'esistenza
dell'antielettrone e lo chiamò positrone, contrazione di "positive
electron".[3] Charles Janet nel 1929 immaginò addirittura una tavola
periodica degli elementi costituita di antimateria.[4]
Nel 1959 i fisici Emilio Segrè e Owen Chamberlain scoprirono
l'antiprotone e grazie a questa scoperta ricevettero il premio Nobel.
Nel 1965 al CERN di Ginevra con l'acceleratore di particelle PS
(protosincrotone) il gruppo di ricerca condotto dal fisico italiano
Antonino Zichichi scopre il primo nucleo di antimateria, e cioè un
nucleo di antideuterio contemporaneamente a un gruppo del Laboratorio
Nazionale di Brookhaven a New York con l' AGS (Alternating Gradient
Synchroton).
Nel 1978 ricercatori italiani e francesi guidati da Giorgio Giacomelli
scoprirono nuclei di antitrizio (un antiprotone e due antineutroni) e
di antielio 3 (due antiprotoni e un antineutrone). Con l'acceleratore
di Serpukhov scienziati russi ottennero analoghi risultati.[5]
Gli scienziati sono riusciti, nel 1995, a produrre antiatomi di
idrogeno ed anche nuclei di antideuterio.
Nel 1997 al CERN ricercatori svizzeri, italiani, inglesi, danesi,
giapponesi e brasiliani nell'ambito del progetto ATHENA (ApparaTus for
High precision Experiments with Neutral Antimatter; in italiano:
apparato per esperimenti di alta precisione con antimateria neutra),
crearono i primi atomi di antidrogeno, circa 50.000 atomi.[6] La
stessa collaborazione riuscì a sintetizzare il protonio, un atomo
instabile composto da un protone e da un antiprotone.
Il 17 Novembre 2010 nel corso dell'esperimento Alpha, i ricercatori
del CERN di Ginevra imprigionano per la prima volta 38 atomi di
antidrogeno per qualche decimo di secondo.
Sperimentazioni future
Nel futuro nella Stazione Spaziale Internazionale (ISS) si
effettueranno esperimenti per produrre nuclei di antielio e
anticarbonio.
Applicazioni dell'antimateria
Sebbene utilizzata principalmente per studiare le interazioni tra
particelle elementari, l'antimateria ha anche un'applicazione
tecnologica: la tomografia ad emissione di positroni, o PET, uno
strumento di diagnostica medica che utilizza l'emissione di positroni
per realizzare immagini ad alta risoluzione degli organi interni dei
pazienti.
Differenze tra materia ed antimateria
Le particelle e le antiparticelle vengono descritte da un unico
oggetto matematico, cioè un campo quantizzato. L'unione tra relatività
ristretta e meccanica quantistica porta necessariamente alla
distinzione di componenti ad energia positiva e negativa per il campo.
Una volta quantizzato il campo (le tecniche per procedere alla
quantizzazione vanno sotto il nome generico di seconda quantizzazione)
l'energia e la quantità di moto dei campi è data, rispettivamente,
dalla somma delle energie, o delle quantità di moto, delle particelle
e delle antiparticelle del sistema, nel modo seguente:
dove abbiamo indicato con l'energia del campo, con il suo impulso e
con ed , rispettivamente, gli operatori che forniscono il numero di
particelle e antiparticelle con impulso . Analogamente la carica del
campo è proporzionale alla differenza degli operatori numero: se una
particella ha una certa carica, la sua antiparticella ha la carica di
segno opposto. Per esempio, i leptoni carichi (elettroni, muoni e tau)
hanno una carica negativa pari a -e, mentre le loro antiparticelle
(positroni, antimuoni e antitau) hanno carica +e.
Come si vede, matematicamente non c'è alcuna differenza tra particelle
e antiparticelle, a parte il segno della carica, che è però
convenzionale, quindi un universo costituito di antiprotoni,
antineutroni e positroni sarebbe comunque stabile. Uno dei problemi
irrisolti della cosmologia è giustificare il fatto che l'universo sia
composto per la maggior parte di particelle: naturalmente il nome
"particella" e "antiparticella" è puramente convenzionale, quindi in
realtà la domanda si formula meglio chiedendo il motivo per cui sono
presenti decisamente più particelle "di un tipo" piuttosto che
"dell'altro".
Annichilimento e Big Bang
L'antimateria ha vita breve e non può essere immagazzinata, in quanto
si annichila al primo contatto con la materia. In base alle attuali
conoscenze, non esistono quantità significative di antimateria in
tutto l'universo, con l'eccezione dei piccolissimi quantitativi
generati nei laboratori di fisica delle particelle presenti sul nostro
pianeta, e nei processi astronomici più energetici.
Nella teoria del Big Bang, nell'universo iniziale materia e
antimateria dovevano essere presenti in proporzioni uguali e di
conseguenza dovettero dare luogo ad un immediato processo di
annichilazione che avrebbe dovuto fare scomparire l'intero universo
neoformato. Poiché questo non corrisponde alla realtà che osserviamo,
si ritiene che un leggero squilibrio in favore della materia[7] (noto
come violazione della simmetria CP ) ha fatto sì che quest'ultima non
venisse completamente annichilita, rendendo possibile la formazione
dell' universo in cui viviamo attraverso il processo della
bariogenesi.
Nuovi e più dettagliati sviluppi su questi aspetti, che coinvolgono le
alte energie in gioco nei primi istanti dell'universo primordiale,
sono attesi dagli esperimenti programmati al Large Hadron Collider del
CERN di Ginevra.
Antimateria come fonte di energia
Se una parte di antimateria si annichilisce a contatto con della
materia ordinaria, tutta la massa delle particelle ed antiparticelle
annichilite viene convertita in energia. Questo processo permetterebbe
di ottenere enormi quantità di energia da quantità molto piccole di
materia ed antimateria, al contrario di quanto avviene invece per le
reazioni nucleari e chimiche, dove a parità di massa di combustibili
utilizzati viene prodotta una quantità di energia molto più piccola.
La reazione di 1 kg di antimateria, con 1 kg di materia produce
1,8×1017 J di energia (in base all'equazione E=mc²). Per contro,
bruciare 1 kg di petrolio fornisce 4,2×107 J, mentre dalla fusione
nucleare di 1 kg di idrogeno si otterrebbero 2,6×1015 J. In altre
parole, l'annichilazione della materia con l'antimateria produce circa
70 volte l'energia prodotta dalla fusione nucleare dell'idrogeno in
elio e quattro miliardi di volte l'energia prodotta dalla combustione
del petrolio.
Data la scarsità dell'antimateria in natura, l'antimateria non è una
valida fonte di energia. Generare un singolo atomo di antimateria è
immensamente difficile e dispendioso. Sono necessari acceleratori di
particelle ed enormi quantitativi di energia, enormemente superiori a
quella rilasciata dopo l'annichilazione con la materia ordinaria,
rendendo di fatto l'impresa non conveniente. La cifra per produrre 10
milligrammi di positroni è stata stimata in 250 milioni di dollari,
equivalenti a a 25 miliardi di dollari per grammo.[8] La NASA fece una
stima di 62.500 miliardi di dollari per produrre un grammo di
antidrogeno,[9] considerandolo quindi il materiale più costoso da
produrre. Secondo le stime del CERN, la produzione di un miliardesimo
di grammo di antiparticelle (il quantitativo utilizzato negli
esperimenti) è costato alcuni milioni di Franchi svizzeri.[10]
A meno che non vengano scoperte fonti naturali di antimateria (la NASA
ha anche valutato la possibilità di raccogliere con campi magnetici
l'antimateria che si forma spontaneamente nelle fasce di van Allen
attorno alla terra o attorno ai grandi pianeti come Giove)[11] o non
si trovi un processo efficiente di produzione della stessa e per la
sua conservazione per tempi lunghi, evitando che si annichilisca con
la materia che ne costituirebbe il serbatoio, il suo possibile
sfruttamento rimarrà più che altro una mera curiosità scientifica.
A livello teorico, dato che l'energia prodotta dall'annichilimento
materia/antimateria è nettamente superiore a quella prodotta da altri
sistemi propulsivi, il rapporto tra peso del carburante e spinta
prodotta sarebbe estremamente vantaggioso. L'energia ottenibile dalla
reazione di pochi grammi di antimateria con altrettanti di materia
sarebbe sufficiente a portare una piccola navicella spaziale sulla
Luna.
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Antiatomo
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Si definisce antiatomo un atomo composto di antimateria anziché di
normale materia. In altre parole l'antiatomo è costituito da un nucleo
di antiprotoni e antineutroni circondato da positroni.
Le proprietà fisico-chimiche di un antiatomo (considerato nella sua
interezza ed allo stato elettricamente neutro) non differiscono
minimamente da quelle di un atomo composto dalla materia ordinaria.
Ciò significa che gli antiatomi possono legarsi fra loro per formare
compostie subire reazioni chimiche.
Negli ultimi anni, nei grandi acceleratori di particelle (per esempio
al CERN di Ginevra) sono stati prodotti antiatomi, attraverso la
produzione di antiparticelle che si sono poi unite a formare un
antiatomo. Questi hanno una vita di qualche frazione di secondo, in
quanto si annichilano immediatamente con gli atomi dei materiali di
cui è costituito l'acceleratore stesso. Infatti, essendo gli antiatomi
elettricamente neutri come gli atomi ordinari, non è nemmeno possibile
imbrigliarli con campi elettromagnetici.
Gli antiatomi, in quanto composti da antimateria, si comportano in
modo opposto alla materia ordinaria per quanto riguarda la forza
elettromagnetica, la forza nucleare debole e la forza nucleare forte,
ma si comportano in modo analogo nelle interazioni gravitazionali.
http://it.wikipedia.org/wiki/Antiatomo