Antimateria e le sue subdole differenze con la materia (in parole semplici)

Le leggi che governano l'antimateria sono le stesse che governano la materia in uno specchio. Le simmetrie C e P sono legate nelle interazioni deboli.

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positrone anderson antimateria
La traccia curva e nera in foto è il primo anti-elettrone mai osservato.
Paul Maurice Dirac
Paul Maurice Dirac (1902 – 1984) all’età di 20 anni.

L’antimateria fu predetta la prima volta da Paul Dirac nel 1928 a Cambridge. All’epoca la meccanica quantistica era già in uno stato avanzato di studio e le sue regole erano state accettate da tutti i più eminenti scienziati mondiali, processo che si può dire concluso con la celebre Conferenza di Solvay del 1927. Rimaneva un nodo da sciogliere: come raccordare la meccanica quantistica con la relatività ristretta di Einstein. Seppur rivoluzionaria, la meccanica quantistica non teneva ancora in conto questioni come la costanza della velocità della luce e l’unificazione dello spazio-tempo.

Il problema di Dirac era quello di dover descrivere il moto di un elettrone con una equazione matematica. Questa avrebbe dovuto tenere in conto sia la meccanica quantistica che la relatività ristretta. L’intuizione geniale di Dirac fu che non fosse sufficiente una sola equazione! L’elettrone ha uno spin: ruota su stesso intorno ad un suo asse. La rotazione può essere o oraria o anti-oraria e quindi erano necessarie due equazioni per descrivere i due casi. Le equazioni dovevano essere imprescindibili l’una dall’altra.

Dirac si accorse presto che non erano sufficienti solamente due equazioni: ne servivano almeno quattro! Molto stranamente, le ulteriori due equazioni descrivevano una particella di massa uguale a quella dell’elettrone ma con carica elettrica positiva, anziché negativa. Dirac stesso fu sorpreso. ll significato di questo “anti-elettrone” rimase dubbio per diversi anni finché, nel 1932, Carl Anderson non le osservò durante i suoi studi dei raggi cosmici (particelle sub-atomiche extra-terrestri). La prima traccia mai osservata è nell’immagine di copertina.

Equazione di Dirac
L’equazione di Dirac che governa il moto dell’elettrone.

L’ANTIMATERIA NELLA TEORIA MODERNA – Oggi conosciamo molte particelle elementari che interagiscono tra loro attraverso quattro forze: elettromagnetica, debole, forte e gravitazionale. Ognuna di queste forze ha un equivalente della carica elettrica che – senza entrare troppo nei dettagli – chiamiamo “carica debole” e “carica forte”. La “carica gravitazionale” è la massa (ricordate Newton?). Ogni particella è dotata di massa, carica elettrica, debole e forte (eventualmente nulle). Se una particella è dotata di almeno una carica non-nulla, possiede una corrispondente anti-particella. L’anti-particella ha la stessa massa e le cariche esattamente opposte, come dimostrato da Dirac.

Per esempio, esistono un anti-protone ed un anti-elettrone (anche detto positrone). Con questi si possono costruire anti-atomi. Da questi anti-molecole e così via. Invece, non esiste un anti-fotone poiché il fotone (particella, o quanto, di luce) non ha carica elettrica, debole o forte.

LMC N 63 A Supernova
Ciò che rimane della supernova LMC N 63 A. Per descrivere il fenomeno è necessaria la teoria di Dirac (Hubble/NASA)

Quando una particella ed una corrispondente anti-particella si incontrano avviene una annichilazione. In natura, si conservano le cariche elettriche e forti (le cariche deboli anche, ma in maniera complicata dall’esistenza del bosone di Higgs). Grazie all’equivalenza massa-energia (il celebre E = m c^2), la coppia particella-anti-particella può trasformarsi in fotoni, cioè luce, poiché quest’ultimi non hanno cariche. Ad esempio, un elettrone ha carica “-” e l’anti-elettrone ha carica “+” e la loro somma fa zero, che è pari alla carica del fotone.

L’ANTIMATERIA NON È POI MOLTO DIVERSA – È estremamente interessante capire se esista una simmetria tra materia e antimateria. Scambiando tutte le particelle di materia con quelle di antimateria e viceversa, vi sarebbe qualche differenza? In fisica questa è chiamata “simmetria C”, da charge. Vedremo che è strettamente legata alla riflessione allo specchio, detta “simmetria P”.

L’unico motivo per cui affermiamo che l’elettrone abbia carica “negativa” ed il protone “positiva” è perché Benjamin Franklin scrisse così in una lettera. Ciò che è davvero fisico, o “reale”, è l’attrazione tra cariche opposte e la repulsione tra cariche uguali! Un anti-atomo, con un anti-protone di carica negativa ed un anti-elettrone di carica positiva, in che modo sarebbe diverso dall’atomo? Se quale è “+” e quale è “-” fosse solamente questione di nomi, non ci sarebbe differenza reale tra materia e antimateria.

L’elettromagnetismo di Maxwell e la gravità di Einstein rispettano la simmetria C. Se esistessero solo queste, non ci sarebbe differenza tra un mondo fatto di materia ed uno di antimateria. Nelle interazioni deboli, che governano i decadimenti e le reazioni nucleari, la simmetria C è violata. Questa situazione è la stessa della simmetria per riflessione allo specchio (P).

Elicita neutrini
Un neutrino (ν) gira sempre in senso orario, visto dalla direzione di arrivo. Per l’anti-neutrino è il contrario.

LO STRANO FATTO DEI NEUTRINI – I neutrini sono particelle effimere con una massa minuscola, non dotate di carica elettrica o carica forte. Hanno solo una carica debole e vengono creati copiosamente nelle reazioni e decadimenti nucleari (ad esempio nel Sole o nelle centrali nucleari). Ogni secondo, circa mille miliardi di neutrini attraversano il nostro corpo senza lasciare traccia. Da questo si capisce perché l’interazione debole è chiamata così.

Come gli elettroni, i neutrini hanno uno spin ma con una particolarità: girano solamente in un senso. Se vedeste un neutrino arrivarvi addosso frontalmente, lo vedreste sempre girare in senso orario. Se vi trovate dall’altra parte e vedete invece il neutrino allontanarsi da voi, lo vedreste girare sempre in senso anti-orario. Per gli anti-neutrini è il contrario, quando lo vedete arrivare addosso gira in senso anti-orario. Questo fatto è molto diverso dalle caratteristiche degli elettroni: essi possono tranquillamente girare in entrambi i sensi.

ASIMMETRIA TOTALE – La simmetria C è totalmente violata! Per questo fatto dello spin, neutrino ed anti-neutrino sono completamente diversi. Immaginate di scambiare un neutrino in un anti-neutrino, senza cambiarne la direzione del moto o il senso di rotazione. Otterreste un anti-neutrino che gira in senso orario (quando vi arriva addosso). Questo non esiste nel nostro universo!

Anche la simmetria P è violata dai neutrini. Un neutrino che vi arriva addosso, girando in senso orario, allo specchio diventa un neutrino che gira in senso orario quando si allontana da voi! Anche questo non esiste nel nostro universo.

UNO SPECCHIO MOSTRA UN MONDO DI ANTIMATERIA – C’è un altro fatto, che potreste aver già intuito. Prendete un anti-neutrino che vi arriva addosso e quindi gira in senso anti-orario. Se lo specchiate (trasformazione P), vedrete l’anti-neutrino allontanarsi ma girando ancora in senso anti-orario (dal vostro punto di vista). Scambiando ora l’anti-neutrino con un neutrino (trasformazione C) ottenete un neutrino che si allontana e gira in senso anti-orario. Ciò esiste nel nostro universo!

Anziche dire che uno specchio scambi destra e sinistra si puo dire che mostri un mondo dritto di antimateria. (mcescher.com)

Le leggi della natura non hanno né una simmetria tra materia e antimateria (C) né una simmetria per riflessioni allo specchio (P), nel senso che cambiano se vengono effettuate queste trasformazioni. Tuttavia, eseguendole insieme, le leggi della natura non cambiano! Diciamo che le leggi della natura sono simmetriche rispetto a CP (contemporaneamente). Possiamo anche dire che il mondo visto allo specchio sia in realtà un mondo fatto di antimateria! Le leggi della fisica che governano gli oggetti nello specchio sono le stesse che governano l’antimateria.

OSCILLAZIONE IN ANTI-PARTICELLA – La storia non finisce qui: esiste anche una piccola violazione di CP. Per cui, ciò detto nel precedente paragrafo non è completamente esatto. La violazione di CP venne scoperta da James Cronin e Val Fitch nel 1964 studiando un fenomeno noto come oscillazione delle particelle K0 (“Kappa-Zero”). La K0 è una particella esotica, composta da due quark, le quali sono particelle elementari che compongono, tra l’altro, protoni e neutroni.

Insieme alla K0 esiste una anti-K0 e, via le interazioni deboli, l’una si trasforma spontaneamente nell’altra. Il fenomeno è oscillatorio: un K0 diventa dopo un lasso di tempo anti-K0 per poi ritornare ad essere K0 e così. Il fenomeno è di natura quantistica e quindi si deve pensare che la particella possa essere nei momenti intermezzi sia K0 che anti-K0, nel senso della meccanica quantistica. Sperimentalmente risulta che l’oscillazione sia asimmetrica. Questo è un sintomo di violazione di CP, poiché scambiando K0 con anti-K0 il fenomeno non rimane uguale a se stesso.

WORK IN PROGRESS – L’argomento è vasto e tutt’ora oggetto di studi. È possibile che nei prossimi anni si troveranno nuove violazioni di CP in esperimenti di oscillazione dei neutrini (fenomeno simile all’oscillazione della K0). Questa potrebbe essere una scoperta fondamentale. Infatti, i fenomeni qui discussi non sono sufficienti a spiegare perché l’universo oggi sia composto prevalentemente da materia. Deve essere avvenuto qualcosa nei primi istanti dopo il Big Bang che ha reso molto più asimmetrica la situazione. I neutrini dell’epoca potrebbero essere la risposta.

Le nuove scoperte sono dietro l’angolo. Vi terremo aggiornati!

 

Sono dottorando in Fisica alla Sapienza di Roma, dove svolgo ricerca su cosmologia primordiale e particelle elementari. Ho lavorato come Teaching Assistant alla UCLA. Sono fondatore di Bunte Kuh e mi occupo della divulgazione scientifica.

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