Viviamo in un universo in cui c'è molta materia e, in generale, non c'è affatto antimateria. Due dei nostri lettori vogliono sapere cos'è l'antimateria e un fisico dà loro una risposta a questa domanda.
Antimateria. Da questa parola si respira libri e film affascinanti in cui i cattivi arrivano agli esplosivi dall'antimateria o le astronavi viaggiano con tale carburante.
Ma cos'è questa sostanza - cos'è, in sostanza, l'antimateria?
I lettori di Wiedenskub vorrebbero saperlo molto. Hanno letto alcuni dei tanti articoli che abbiamo pubblicato sugli esperimenti dei fisici con l'antimateria, ma vorrebbero saperne di più.
In primo luogo, dobbiamo chiarire che l'antimateria dei fisici non deve essere confusa con quegli anticorpi che ci sono noti dalla biologia e dalla medicina. Gli anticorpi (chiamati anche immunoglobuline) sono composti proteici speciali, parte della difesa dell'organismo contro le malattie. Possono legarsi a molecole estranee e quindi proteggere il corpo da microrganismi e virus.
Ma qui non ne parleremo. Abbiamo contattato uno scienziato del mondo della fisica: Nikolaj Zinner, docente presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Aarhus, sarà felice di parlarci dell'antimateria.
Sostanza con carica opposta
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“Tutte quelle particelle che, come sappiamo, sono in natura, tutto ciò di cui è composto il nostro mondo, esistono in varianti con carica opposta. Questa è antimateria , afferma Nikolai Sinner.
“L'antimateria sembra esattamente la stessa e ha la stessa massa della materia ordinaria, ma ha esattamente la carica opposta. Ad esempio, i positroni caricati positivamente hanno elettroni caricati negativamente. I positroni sono antiparticelle degli elettroni.
Quindi non c'è niente di fondamentalmente insolito nell'antimateria. È solo una sostanza con una carica opposta rispetto alla sostanza nell'ambiente in cui ci troviamo solitamente. Ma il motivo per cui ce n'è così poco è solo un mistero, e su questo torneremo più avanti.
“Nella vita di tutti i giorni non incontriamo l'antimateria, ma compare in molte situazioni, ad esempio durante il decadimento radioattivo, sotto l'influenza delle radiazioni cosmiche e negli acceleratori. Semplicemente scompare di nuovo molto rapidamente. Quando un positrone incontra un elettrone, il risultato è pura energia sotto forma di due particelle di luce ad alta energia: i quanti.
Scompare in un lampo di luce
“Ecco un elettrone e un positrone, hanno cariche opposte, quindi si attraggono. Possono avvicinarsi molto l'uno all'altro e, quando ciò accade, si fondono e formano due fotoni. Questa è una conseguenza delle leggi della natura, - dice Nikolai Sinner. "La massa di due particelle viene convertita in energia sotto forma di due particelle - quanti di radiazioni gamma".
“Se avessi molta antimateria e le permettessi di entrare in contatto con la materia ordinaria, provocheresti una reazione molto potente. E viceversa: l'energia può essere convertita in materia e antimateria, e questo accade negli acceleratori di particelle.
Utilizzato negli scanner medici
È questo fenomeno, quando l'incontro di materia e antimateria porta alla loro scomparsa e al rilascio di energia, è probabilmente la prima cosa che affascina gli autori di fantascienza.
Ad esempio, l'antimateria gioca un ruolo importante in Angeli e demoni di Dan Brown e in Star Trek le navi interstellari funzionano con l'antimateria.
Ma nel mondo reale, l'antimateria ha un'applicazione più pacifica.
L'antimateria sotto forma di positroni dal decadimento dei materiali radioattivi viene utilizzata negli ospedali negli scanner PET (tomografia a emissione di positroni), che possono scattare foto di organi interni e rilevare processi malsani in essi.
“Quindi l'antimateria non è poi così mistica. Questa è una parte della natura che ci piace usare , afferma Nikolai Sinner.
Ci esponiamo anche all'antimateria mangiando banane. Contengono potassio, che è leggermente radioattivo e rilascia positroni quando decade. Circa ogni 75 minuti, una banana emette un positrone, che si scontra rapidamente con un elettrone e si trasformano in due fotoni gamma.
Ma tutto questo non è assolutamente pericoloso. Per ottenere una dose di radiazioni che corrisponda a quella che otteniamo quando facciamo una radiografia, dovremo consumare diverse centinaia di banane.
Era stato previsto anche prima della scoperta
Puoi capire meglio cos'è l'antimateria se guardi alla storia della sua scoperta. È interessante notare che l'esistenza dell'antimateria è stata prevista anche prima che fosse scoperta.
Negli anni '20, si è scoperto che una nuova teoria chiamata meccanica quantistica era perfetta per descrivere le particelle più piccole di materia: atomi e particelle elementari. Ma non è stato così facile combinare la meccanica quantistica con la seconda grande teoria del XX secolo, la teoria della relatività.
Il giovane fisico britannico Paul Dirac si è affrettato a risolvere questo problema ed è riuscito a derivare un'equazione che combina la meccanica quantistica con la relatività speciale.
Con l'aiuto di questa equazione, è diventato possibile descrivere il movimento di un elettrone, anche se la sua velocità si avvicinava alla velocità della luce.
Ma l'equazione ha preparato una sorpresa. Aveva due soluzioni, proprio come l'equazione "x² = 4": x = 2 e x = -2 ". Cioè, potrebbe descrivere non solo il noto elettrone, ma anche un'altra particella: un elettrone con energia negativa.
Scoperto nella cella di Wilson
Quindi non sapevano nulla di particelle con energia negativa e Paul Dirac ha interpretato la sua scoperta come segue: può esserci una particella esattamente uguale a un elettrone, ad eccezione della carica opposta.
Se l'elettrone ha una carica negativa, deve esserci una particella corrispondente con una carica positiva. Secondo i calcoli, la stessa regola dovrebbe applicarsi a tutte le particelle elementari, cioè, in generale, a tutte le particelle che compongono il mondo.
E così iniziò la caccia all'antielettrone. Il fisico americano Carl Anderson ha utilizzato una telecamera antinebbia (alias la macchina fotografica di Wilson) per rilevare tracce di particelle dallo spazio che hanno la stessa massa di un elettrone, ma con la carica opposta.
È così che è stato scoperto l'antielettrone di Dirac, chiamato positrone, abbreviazione di "elettrone positivo". Da quel momento in poi, passo dopo passo, furono scoperte nuove antiparticelle.
All'inizio l'universo era pura energia
Dirac ha suggerito che le stelle lontane - forse la metà di tutto ciò che vediamo nel cielo - possono essere composte di antimateria, non di materia. Ciò segue, ad esempio, il suo discorso, che pronunciò mentre accettava il Premio Nobel per la fisica nel 1933.
Ma oggi sappiamo che tutto nell'universo consiste solo di materia e non di antimateria. E questo è davvero misterioso, perché all'inizio dell'esistenza dell'universo avrebbe dovuto esserci approssimativamente la stessa quantità di entrambi, spiega Nikolai Sinner.
“Se iniziamo a riavvolgere lo sviluppo dell'universo, l'energia diventerà sempre di più. La densità aumenterà, la temperatura aumenterà. Alla fine, tutto si trasformerà in pura energia: particelle che trasportano energia o forza come i fotoni. Questo fu l'inizio dell'universo, secondo le nostre teorie cosmologiche più comuni.
“E se andiamo ancora avanti da questo punto di riferimento, a un certo punto l'energia dovrà iniziare a convertirsi in materia. È perfettamente possibile creare materia dall'energia pura, ma in questo caso ottieni tanta antimateria quanta materia. Questo è il problema: ti aspetteresti la stessa quantità di entrambi.
“Deve esserci una legge di natura responsabile del fatto che oggi c'è più materia che antimateria. E non si può dire altro su questo squilibrio. E quindi questa asimmetria potrebbe essere spiegata.
I neutrini aiuteranno a risolvere l'enigma
La grande domanda è dove nelle leggi della natura si dovrebbe cercare il motivo della vittoria della materia sull'antimateria. I fisici stanno cercando di capirlo attraverso esperimenti.
Al Centro di ricerca del CERN in Svizzera, l'antimateria viene prodotta e intrappolata in campi magnetici e, attraverso una serie di esperimenti con antiidrogeno, i fisici stanno cercando di trovare una risposta alla domanda se materia e antimateria siano immagini speculari l'una dell'altra.
Forse c'è ancora una piccola differenza tra loro, ad eccezione della carica, e questa differenza aiuterà a spiegare perché c'è così tanta materia nell'universo relativa all'antimateria.
Riuscito a creare antielio
Poiché l'antimateria è molto rara e scompare rapidamente quando incontra una sostanza, non ci sono molecole di antimateria in natura e possono essere create solo le sue molecole più piccole.
Nel 2011, gli scienziati americani sono riusciti a creare antielio. Non c'erano atomi più grandi.
Noi di Wiedenskab abbiamo scritto molto su questi esperimenti, che finora dimostrano che l'antimateria si comporta esattamente allo stesso modo della materia, che, ad esempio, è descritto nell'articolo "Lo scienziato di Aarhus ha eseguito le misurazioni dell'antiidrogeno più accurate nella storia". E, forse, risolvere questo enigma ci aiuterà a trovare particelle elementari chiamate neutrini. Ne abbiamo parlato nell'articolo "L'esperimento sul ghiaccio rivelerà il segreto della materia".
“Possiamo sperare di trovare la risposta nel neutrino, perché sappiamo già che si comporta in modo strano. Ci sono molte lacune nella fisica qui, quindi sarebbe saggio iniziare a scavare qui , dice Nikolai Sinner.
L'antimateria in sé non è poi così mistica, ma i fisici non hanno ancora capito perché nell'universo oggi c'è così tanto più materia che antimateria. Stanno lavorando su questo problema.
Henrik Bendix
