Come volare su Marte in un mese? Per fare questo, devi dare una buona spinta alla navicella. Ahimè, il miglior carburante disponibile per l'uomo: il nucleare dà un impulso specifico di 3000 secondi e il volo si estende per molti mesi. Non c'è qualcosa di più energico a portata di mano? Teoricamente c'è: fusione termonucleare; fornisce un impulso di centinaia di migliaia di secondi e l'uso dell'antimateria fornirà un impulso di milioni di secondi.
I nuclei di antimateria sono costituiti da antinucleoni e il guscio esterno è costituito da positroni. A causa dell'invarianza della forte interazione rispetto alla coniugazione di carica (C-invarianza), gli antinuclei hanno lo stesso spettro di massa ed energia dei nuclei, costituiti dai nucleoni corrispondenti, e gli atomi di antimateria e materia devono avere struttura e proprietà chimiche identiche, con un unico HO, la collisione di un oggetto, costituito da materia, con un oggetto di antimateria porta all'annichilazione di particelle e antiparticelle incluse nella loro composizione.
L'annichilazione di elettroni lenti e positroni porta alla formazione di quanti gamma e l'annichilazione di nucleoni lenti e antinucleoni porta alla formazione di diversi mesoni pi. Come risultato dei successivi decadimenti dei mesoni, si forma una radiazione gamma dura con un'energia di quanti gamma superiore a 70 MeV.
Gli antielettroni (positroni) furono predetti da P. Dirac e poi scoperti sperimentalmente in "docce" da P. Anderson, che all'epoca non sapeva nemmeno della previsione di Dirac. Questa scoperta è stata insignita del Premio Nobel per la fisica nel 1936. Antiproton è stato scoperto nel 1955 presso il Bevatron di Berkeley, che è stato anche insignito del Premio Nobel. Nel 1960 vi fu scoperto un antineutrone. Con la messa in servizio dell'acceleratore Serpukhov, anche i nostri fisici sono riusciti in qualche modo ad andare avanti: nel 1969 vi furono scoperti nuclei di antielio. Ma gli atomi di antimateria non potevano essere ottenuti. Ad essere sinceri, durante l'intera esistenza degli acceleratori, le antiparticelle hanno ricevuto quantità insignificanti: tutti gli antiprotoni sintetizzati al CERN in un anno saranno sufficienti per far funzionare una lampadina elettrica per pochi secondi.
Il primo messaggio sulla sintesi di nove atomi di antimateria - antiidrogeno nell'ambito del progetto ATRAP (CERN) è apparso nel 1995. Essendo esistiti per circa 40 ns, questi singoli atomi morirono, rilasciando la quantità prescritta di radiazione (che fu registrata). Gli obiettivi erano chiari e giustificavano gli sforzi, i compiti furono definiti, e nel 1997, vicino a Ginevra, grazie all'assistenza finanziaria internazionale, il CERN iniziò la costruzione di un desselerator (non traduciamolo con l'equivalente dissonante di “inibitore”), che permise di rallentare (“freddi”) gli antiprotoni di nuovo in dieci milioni di volte nell'installazione del 1995. Questo dispositivo, chiamato Antiproton Moderator (AD), è entrato in servizio nel febbraio 2002.
La configurazione, dopo che gli antiprotoni hanno lasciato l'anello di rallentamento, è composta da quattro parti principali: una trappola per intrappolare gli antiprotoni, un anello di accumulo di positroni, una trappola di miscelazione e un rilevatore di antiidrogeno. Il flusso antiprotone viene prima decelerato dalla radiazione a microonde, quindi raffreddato a seguito dello scambio di calore con un flusso di elettroni a bassa energia, dopo di che cade in una trappola - un miscelatore, dove si trova a una temperatura di 15 K. Il dispositivo di accumulo di positroni rallenta successivamente, cattura e accumula positroni da una sorgente radioattiva; circa la metà di loro cade in una trappola di miscelazione, dove viene ulteriormente raffreddata dalla radiazione di sincrotrone. Tutto ciò è necessario per aumentare significativamente la probabilità di formazione di atomi di antiidrogeno.
Presso l'Antiproton Moderator, è iniziata una dura competizione tra due gruppi di scienziati, partecipanti agli esperimenti ATHENA (39 scienziati di diversi paesi del mondo) e ATRAP.
In Nature 2002, vol.419, p. 439, ibid p. 456) pubblicato il 3 ottobre 2002, l'esperimento ATHENA affermava di essere riusciti a ottenere 50.000 atomi di antimateria - antiidrogeno. La presenza di atomi di antimateria è stata registrata al momento della loro annichilazione, che è stata evidenziata dall'intersezione in un punto delle tracce di due quanti duri formati durante l'annichilazione elettrone-positrone e tracce di pioni risultanti dall'annichilazione di un antiprotone e di un protone. È stato ottenuto il primo "ritratto" di antimateria (foto all'inizio): un'immagine del computer sintetizzata da tali punti. Poiché solo quegli atomi che "sono scivolati" fuori dalla trappola sono stati annientati (e ce n'erano solo 130 di quelli contati in modo affidabile), i 50.000 atomi di antiidrogeno dichiarati creano solo uno sfondo invisibile del "ritratto".
Video promozionale:
Il problema è che l'annientamento da antiidrogeno è stato registrato su uno sfondo generale più forte di anichilazione di positroni e antiprotone. Ciò, naturalmente, ha causato un sano scetticismo tra i colleghi del progetto concorrente adiacente ATRAP. A loro volta, avendo sintetizzato l'antiidrogeno nella stessa struttura, sono stati in grado di registrare atomi di antiidrogeno con l'aiuto di complesse trappole magnetiche senza alcun segnale di fondo. Gli atomi di antiidrogeno formati nell'esperimento divennero elettricamente neutri e, a differenza dei positroni e degli antiprotoni, potevano lasciare liberamente la regione in cui erano confinate le particelle cariche. È stato lì, senza sfondo, che sono stati registrati.
Si stima che nella trappola si siano formati circa 170.000 atomi di antiidrogeno, come hanno riportato i ricercatori in un articolo pubblicato su Physical Review Letters.
E questo è già un successo. Ora la quantità di antiidrogeno ricevuta potrebbe essere sufficiente per studiarne le proprietà. Per gli atomi di antiidrogeno, ad esempio, si propone di misurare la frequenza della transizione elettronica 1s-2s (dallo stato fondamentale al primo stato eccitato) mediante metodi di spettroscopia laser ad alta risoluzione. (La frequenza di questa transizione nell'idrogeno è nota con una precisione di 1,8 · 10-14 - non è per niente che il maser dell'idrogeno è considerato uno standard di frequenza.) Secondo la teoria, dovrebbero essere gli stessi dell'idrogeno ordinario. Se, ad esempio, lo spettro di assorbimento risulta essere diverso, dovrai apportare modifiche ai fondamenti fondamentali della fisica moderna.
Ma l'interesse per l'antimateria - l'antimateria non è affatto puramente teorico. Un motore antimateria può funzionare, ad esempio, come segue. In primo luogo, vengono create due nuvole di diversi trilioni di antiprotoni, che sono trattenute dal toccare la materia da una trappola elettromagnetica. Quindi una particella di 42 nanogrammi di carburante viene iniettata tra di loro. È una capsula di uranio-238 contenente una miscela di deuterio ed elio-3, o deuterio e trizio.
Gli antiprotoni si annientano istantaneamente con i nuclei di uranio e li fanno decadere in frammenti. Questi frammenti, insieme ai quanti gamma risultanti, riscaldano l'interno della capsula così tanto che lì inizia una reazione termonucleare. I suoi prodotti, che hanno un'energia tremenda, vengono accelerati ancora di più dal campo magnetico e sfuggono attraverso l'ugello del motore, fornendo alla navicella una spinta inaudita.
Per quanto riguarda il volo su Marte in un mese, i fisici americani raccomandano di utilizzare una tecnologia diversa per questo: la fissione nucleare catalizzata dagli antiprotoni. Quindi l'intero volo richiederà 140 nanogrammi di antiprotoni, senza contare il carburante radioattivo.
Nuove misurazioni effettuate presso lo Stanford Research Center (California), dove è installato un acceleratore di particelle lineare, hanno permesso agli scienziati di fare progressi nel rispondere alla domanda sul perché la materia prevale sull'antimateria nell'universo.
I risultati dell'esperimento confermano le precedenti ipotesi sullo sviluppo di uno squilibrio di queste entità opposte. Tuttavia, gli scienziati affermano che gli studi effettuati hanno posto più domande che risposte: gli esperimenti con un acceleratore non possono fornire una spiegazione completa del perché c'è così tanta materia nello spazio - miliardi di galassie piene di stelle e pianeti.
Gli scienziati che lavorano con l'acceleratore hanno misurato un parametro noto come seno di due beta (0,74 più o meno 0,07). Questo indicatore riflette il grado di asimmetria tra materia e antimateria.
Come risultato del Big Bang, si sarebbe dovuta formare la stessa quantità di materia e antimateria, che poi si annichilì e non lasciò altro che energia. Tuttavia, l'universo che stiamo osservando è una prova indiscutibile della vittoria della materia sull'antimateria.
Per capire come ciò sia potuto accadere, i fisici hanno esaminato un effetto chiamato violazione dell'uguaglianza di carica. Per osservare questo effetto, gli scienziati hanno studiato mesoni B e mesoni anti-B, particelle con una durata di vita molto breve di trilionesimi di secondo.
Le differenze nel comportamento di queste particelle assolutamente opposte mostrano le differenze tra materia e antimateria e spiegano in parte perché una prevale sull'altra. I milioni di mesoni B e anti-mesoni B necessari per l'esperimento si sono formati a seguito di collisioni nell'acceleratore dei fasci di elettroni e positroni. I primi risultati, ottenuti nel 2001, mostrano chiaramente una violazione dell'uguaglianza delle accuse per i mesoni B.
"Questa è stata una scoperta importante, ma devono ancora essere raccolti molti dati per convalidare il seno di due beta come costante fondamentale nella fisica quantistica", ha affermato Stewart Smith della Princeton University. "I nuovi risultati sono stati annunciati dopo tre anni di intense ricerche e analisi di 88 milioni di eventi".
Le nuove misurazioni sono coerenti con il cosiddetto "modello standard", che descrive le particelle elementari e le loro interazioni. Il grado di violazione confermato dell'uguaglianza delle cariche di per sé non è sufficiente a spiegare lo squilibrio tra materia e antimateria nell'universo.
"Apparentemente, oltre alla disuguaglianza delle cariche, è successo qualcos'altro, che ha causato la predominanza della materia trasformata in stelle, pianeti e organismi viventi", ha commentato Hassan Jawahery, un membro dello staff dell'Università del Maryland. "In futuro, potremmo essere in grado di capire questi processi nascosti e rispondere alla domanda su cosa ha portato l'universo al suo stato attuale e questa sarà la scoperta più eccitante ".
