Il mistero dell’antimateria

di Fiammetta Orione

Ricerca continua

Il mistero dell’antimateria

Si studia in che cosa sono differenti la materia e l’antimateria,

per capire come mai una sia prevalsa sull’altra

14 miliardi di anni fa. Il ruolo del Cern di Ginevra.

Immaginatevi il Silenzio. Il Silenzio perfetto e totalmente oscuro in un cosmo immenso ed altrettanto oscuro. Ad un certo punto la Luce, un’esplosione luminosissima come mai ne seguiranno. È l’inizio di una saga fantasy che sbancherà i botteghini di mezzo mondo? In un certo senso sì, perché sbancherà i botteghini di un intero universo. Il titolo? Big Bang (letteralmente “grosso botto”). Ed in questa saga i protagonisti siamo anche noi.

L’universo in espansione

Nei primi anni del Novecento diversi astronomi, sollecitati dalle idee rivoluzionarie di Albert Einstein, sospettarono attraverso i telescopi che le galassie si allontanassero dalla Terra, punto di osservazione privilegiato. Immaginiamo di filmare con una telecamera una goccia di inchiostro dissolta in un bicchiere d’acqua. Proviamo ad osservare le immagini dall’ultima alla penultima, e dalla penultima alla terzultima, e così via. Vedremmo la goccia di inchiostro, dispersa, ritornare sempre più compatta e densa. È ragionevole supporre che la prima immagine, a noi mancante, sia di una piccolissima, densissima goccia.

Negli anni ’20 si comprese che non solo alcune galassie, ma l’intero universo dovesse essere in espansione, proprio come la nostra goccia di inchiostro. Dunque, all’inizio dei tempi, questo nostro universo doveva esistere in uno spazio estremamente più piccolo e con un aspetto decisamente più denso. Che cosa ha permesso a quella piccola goccia di diventare un universo dinamico ed infinito? Forse un’enorme esplosione?

Scienziati come Edwin Hubble e Georges Lemaitre, un sacerdote cattolico ed un fisico al tempo stesso, furono tra i più illustri pionieri di questa avventura di conoscenza. Diverse questioni irrisolte rendono per ora impossibile raggiungere l’istante zero.

Polvere di stelle

Un mistero è, per esempio, la sorte dell’antimateria.

Che cos’è l’antimateria? L’antimateria non è il contrario della materia, è piuttosto un qualcosa di speculare: se tutti noi fossimo fatti di zucchero, i nostri “anti-noi” sarebbero fatti di sale. Un atomo di antimateria vede un nucleo di anti-elettroni (a carica positiva!) attorno a cui orbitano degli anti-protoni, esattamente il contrario rispetto a ciò cui siamo abituati.

Durante l’Esplosione, la materia, nei suoi costituenti fondamentali, quelli che popolano la tavola periodica che studiamo nelle ore di Chimica, e l’antimateria sono state prodotte in uguale quantità in un centesimo di miliardesimo di secondo. Un istante dopo sembra che tra le particelle presenti una particella di antimateria, una su un miliardo, sia sparita, originando a catena la quasi totale evaporazione delle sue simili. L’universo si è trovato ad essere formato quasi esclusivamente di materia, di quella polvere di stelle di cui è plasmato anche l’uomo.

Se la materia non avesse prevalso sull’antimateria il mondo e l’universo di oggi sarebbero totalmente diversi, ammesso e non concesso che possano esistere. Studiare in che cosa sono differenti la materia e l’antimateria è utile per capire come mai una sia prevalsa sull’altra, 14 miliardi di anni fa.

Un lampo di energia

L’antimateria non è completamente scomparsa. Un residuo di antimateria in natura si può trovare nei raggi cosmici, invisibili onde elettromagnetiche che viaggiano alla velocità della luce per l’universo e che ci investono quotidianamente. A volte l’antimateria si produce per qualche istante nelle scariche elettriche durante i temporali più intensi.

Quando le particelle di antimateria si scontrano con particelle di materia, le prime svaniscono in un lampo di energia. Tutta la massa delle particelle di antimateria si trasforma in pura energia, secondo le proporzioni studiate da Einstein nella celeberrima formula E=mc² (e per “c” intendiamo la velocità della luce, 300.000.000 m/s).

In pratica, se si riuscisse a controllare questa interazione tra antimateria e materia, sarebbe sufficiente un grammo di antimateria per poter far percorrere ad un’automobile 100.000 chilometri con un pieno di carburante. Con 10 grammi di antimateria si potrebbe arrivare su Marte in un mese. Prospettive molto allettanti, vero? Gli scienziati stanno investendo molte risorse nello studio dell’antimateria: come produrla? Come conservarla? Come farla interagire in modo controllato con la materia?

Particelle artificiali

Le particelle di antimateria si possono produrre artificialmente nei migliori laboratori del mondo, come sta succedendo al Cern (Conseil européen pour la recherche nucléaire, ovvero Organizzazione europea per la ricerca nucleare) di Ginevra. Il Cern si avvale di uno strumento particolare, quanto di più imponente si possa immaginare, il Large hadron collider (Lhc), un anello sotterraneo di 27 chilometri di diametro. È costato tre miliardi di euro e vi lavorano tremila scienziati di tutto il mondo.

Studiano il modo di fare scontrare fra di loro fasci di particelle ad una velocità pari – quasi – a quella della luce. Durante questi urti si possono ricostruire almeno in parte le condizioni dell’universo neonato, si indaga così sull’origine dell’universo.

Dopo quasi vent’anni di ricerche, nel gennaio 2014 è stato prodotto un vero e proprio fascio di particelle di antimateria, atomi di anti-idrogeno e di anti-elio, che è sopravvissuto abbastanza a lungo (qualche decimo di millesimo di secondo!) da poterne studiare le principali caratteristiche.

il Large hadron collider (Lhc), un anello
sotterraneo di 27 chilometri di diametro.

L’esperimento di successo si chiama Asacusa (Atomic spectroscopy and collisions using slow antiprotons, ovvero “Spettroscopia atomica e collisioni utilizzando antiprotoni lenti”) e vede impegnati in prima linea tedeschi, giapponesi, ungheresi, austriaci, italiani e danesi. Gli italiani dell’Istituto di fisica nucleare di Brescia hanno messo a disposizione l’apparato sperimentale in cui gli antiatomi, originati attraverso urti nucleari ad altissima velocità, sono bombardati con microonde per studiarne le caratteristiche.

Il gruppo di fisici italiani è guidato dal professor Luca Venturelli: «Mettiamo passione e competenze al servizio della ricerca – sostiene – e per otto ore al giorno si fanno esperimenti sugli acceleratori ed altrettante se ne vanno per la verifica dei dati e la pianificazione delle fasi successive. Non percepiamo premi per i risultati conseguiti, ma la soddisfazione di capire non ha prezzo».

L’esperimento indaga sul perché nei primissimi istanti di vita dell’Universo la materia sia prevalsa sull’antimateria (“Dove sia finita l’antimateria è un vero e proprio mistero…” commenta Venturelli) ed i risultati saranno utilizzati anche per comprendere come produrre antimateria artificialmente.

Nella scienza ogni scoperta, ogni piccolo passo, è utile a ciascuno e a tutti. Per questo è fondamentale camminare insieme: il più piccolo risultato, fosse anche un fallimento, sarà utile per tutti, magari per un grande, conseguente successo, che apparterrà a coloro che han permesso di arrivare fino a lì.

«Dio disse: «Sia la luce!«. E la luce fu» (Gn 1,3).