GenovaDipartimento di Fisica

6 Luglio 2010

lo specchio imperfetto dell’universo

Carlo Canali

MATERIAANTIMATERIA

Università degli studi di Genova

Dipartimento di Fisica

Istituto Nazionale di Fisica NucleareSezione di Genova

C. Canali, C. Carraro, L. Di Noto, D. Krasnický, V. Lagomarsino, G. Manuzio,

G. Testera, R. Vaccarone,

S. Zavatarelli

• Cosa è l’(anti)materia?• Un po’ di storia• Atomi e anti atomi•Dove è l’antimateria (un po’ di cosmologia…)

• Produrre antimateria, fantascienza dietro l’angolo…

• Antimateria e gravità

Antimateria tra scienza e fantascienza…

Cosa è l’antimateria?

...e cosa è la materia?

18g acqua = 6 x 1023 molecole600000000000000000000000

Atomo di idrogenoR = 10-11 m

La realtà degli atomi costituiva per Democrito l’arché, quindi l’essere immutabile ed eterno. Gli atomi erano concepiti come particelle originarie indivisibili: essi cioè erano quantità o grandezze primitive e semplici (non composte), omogenee e compatte, la cui caratteristica principale è l'indivisibilità

Democrito(Abdera, 460 a.C. – 360 a.C.)

Atomo di idrogenoR = 10-11 m Protone (+)

m ≈ 1,67 x 10 -27 kg

Elettrone (-)m ≈ 9,1 x 10 -31 kg

nucleo

Atomo di Ossigeno8 Protoni (+)

8 Neutroni (0)

8 Elettroni (-)

nucleo

Materia:

Neutrone (+)m ≈ 1,67 x 10 -27 kg

Protone (+)m ≈ 1,67 x 10 -27 kg

Elettrone (-)m ≈ 9,1 x 10 -31 kg

Tutto questo può essere descritto da equazioni:

sistema fisico “reale”

Equazioni (descrizione, modello…)

Previsione…

[..] l'opinione corrente era assolutamente contraria all'idea di proporre nuove particelle

Paul A.M.Dirac

In accordo con le equazionisarebbero dovute esistere particelleuguali a quelle osservate sino ad allora,ma con carica elettrica opposta.

Una nuova particella, mai osservata, con caratteristiche piuttosto curiose… “prevede” l’esistenza di un

elettrone positivo…

Nel 1928, partendo dai lavori di Pauli su sistemi non

relativistici con spin, in una serie di articoli, derivò l'equazione

che prese il suo nome e che descriveva l'elettrone da un punto di vista relativistico;

La previsione di Dirac sull’anti-elettrone

spesso si trova nella letteratura che la scoperta del positrone fu una conseguenza della previsione teorica di Paul A.M. Dirac, ma ciò non è vero. La scoperta del positrone fu assolutamente accidentale...

Carl D. Anderson (1932)

La scoperta dell’anti-elettrone

Emilio Segrè

1955 scoperta dell’antiprotone

Protoni ad altissima energia sono lanciaticontro un bersaglio metallico

Nell’interazione con il bersagliosi producono altre particelle e

antiparticelle!

protone

Bersaglio

antiprotone

Neutrone (0)m ≈ 1,67 x 10 -27 kg

Protone (+)m ≈ 1,67 x 10 -27 kg

Elettrone (-)m ≈ 9,1 x 10 -31 kg

Anti-neutrone (0)m ≈ 1,67 x 10 -27 kg

Anti-protone (-)m ≈ 1,67 x 10 -27 kg

Anti-elettrone (+)m ≈ 9,1 x 10 -31 kg

(Quasi) tutto quello che ci circonda è costituito da

materia e non da antimateria…

Perché?

Due mondi simmetrici

Due mondi simmetrici

e “incompatibili”!!!

E=mc2

Se materia e antimateria vengono in contatto,

Tutta la loro massa viene

trasformata in energia

Questo processo è chiamato

ANNICHILAZIONE1 grammo = 1014 Joule =

300 milioni kWattOra =

500 milioni km-auto =

30.000.000 kg carbone =

10 bombe atomiche

E=mc2

Facciamo il punto:

Il mondo è fatto di materia (protoni, elettroni, neutroni..)

La materia ha una “sorella” perfettamente (?) simmetrica che può essere prodotta

In laboratorio (o in rari fenomeni naturali): l’antimateria

Se materia e antimateria si incontrano la massa si trasforma in energia e

tutto svanisce in un bel lampo: annichilazione!

Materiae

antimateria

universo

NON simmetria… c’è solo materia…!

Lo specchio non sembra funzionarecorrettamente

materia e antimateria…

Un passo indietro nel tempo:

C’era una volta

15.000.000.000di anni fa…

Tutta la materia e l’antimateriasi “creò”durante il

Big Bang…

•L’universo primordiale era una mistura dimassa e energia (alta temperatura)

•Formazione e annichilazionecontinua di particelle e antiparticelle

•L’universo si espande e si raffredda: per

qualche ragione sopravvive un piccolo eccesso di materia

•Si formano atomi e strutture e il mondo in

cui viviamo

• Ci interroghiamo sulla natura dell’antimateria in via Dodecaneso 33…

?

15 miliardi di anni fa,nascita dell’universo:

Oggi:

We arehere

Senza questa minima asimmetria noi non ci saremmo!

Materia e antimateria sono davvero simmetriche? O esistono piccole ma fondamentali differenze?Un mondo fatto di antimateria come sarebbe? Come funzionerebbe? Potrebbe esistere?

…cerchiamo e studiamo l’antimateria!!!!

PerchéC’è solo

materia?

PerchéC’è solo

antimateria?

Milioni di anni luce

Un’ipotesi:Materia e antimateria esistono

In uguali quantità nell’universo,

ma sono separate localmente

Collisioni tra galassie: nessuna evidenza di

annichilazione tra materia e antimateria

Alla ricerca di antimateria:

AMSAlpha Magnetic Spectrometer

Ricerca di:Antiatomi provenienti da

galassie lontaneo antimateria allo stato “brado”,In particcolare

antinuclei HeChe possono formarsi solodentro ad antistelle

PAMELA

3.000.000 He nuclei

0 He nuclei

1998: esperimento AMS-01

…cerchiamo l’antimateria!!!!

Produciamo e studiamo l’antimateria!!!!

L’atomo più semplice in natura è quello dell’idrogeno

Atomo di idrogeno Protone (+)

Elettrone (-)

L’idea è di produrre atomi di antiidrogeno,

Studiarli e confrontare i risultati con le

Stesse misure condotte sull’idrogeno

Atomo di idrogeno Protone (+)

Elettrone (-)

Se opportunamente eccitato l’atomo di idrogeno

emette luce la cui frequenza (“colore”)

è molto ben conosciuta e misurata in esperimentidi laboratorio con grande precisione:

1S-2S idrogeno:

2 466 061 413 187 103 (46) Hz

Due possibili misure: 1/2

Spettroscopia

2 466 061 413 187 103 (46) Hz

Questa frequenza è la stessa per entrambi?

Luglio 2010… non misurata

sperimentalmente…

idrogeno Anti-idrogeno

Due possibili confronti: 2/2

2

21

r

mmGF

Atomo di idrogeno

Protone (+)

Elettrone (-)

Come ogni altro oggetto (un vaso di fiori, una tegola, un gatto, un paracadutista…)un atomo di idrogeno cade verso la terra per

effetto della forza digravità

g = 9.8 m/s2

Gravità

E se faccio cadere un atomo

Di antiidrogeno?

Cadrà sempre allo stesso modo?

g = 9.8 m/s2

Oppure la forza di gravità

è differente tra materia

e antimateria?

Questo è quello che vuole cercare di capireun esperimento (“molto Genovese”) cheverrà condotto al CERN

Atomo di antiidrogeno

antiProtone (+)

antiElettrone (-)

Studi con antimateriaa bassa energia

Per misurare come cade un atomo di antiidrogeno devo:

1- produrre i componenti dell’antiidrogeno

(antiprotoni ed antielettroni) e

raffreddarli

2- confinarli nel vuoto in modo che non

vengano in contatto con la materia ordinaria

(altrimenti si distruggono/annichilano)

4- misurare l’accelerazione di

gravità degli antiatomi, studiare le proprietàdell’antiidrogeno

3- Produrre l’antiidrogeno

1- produrre i componenti dell’antiidrogeno

(antiprotoni)

La fabbrica della antimateria al CERN :AD

Antiprotoni Raffreddamentodegli antiprotoni

Per gli antielettroni tutto è un

po’ più semplice:

si parte da una sorgente

radioattiva di 22Na (10 mC)

(circa 400 milioni e+/sec) 370.000.000di decatimenti alsecondo

Produrre antiatomi

L’esperimento ATHENA

Intrappolareantimateria

AD22Na

p

Intrappolareantimateria

Vuoto(1 molecola su

1.000.000.000.000.000rispetto all’atmosfera ambiente)

Alta tensione5 kV

Campo magnetico(100.000 piùintenso di quello terrestre)

HV ONHV ON

Vuoto(1 molecola su

1.000.000.000.000.000rispetto all’atmosfera ambiente)

Intrappolareantimateria

Campo magnetico(100.000 piùintenso di quello terrestre)

cattura.mov

Campo magnetico(100.000 piùintenso di quello terrestre)

10.000 antiprotoni 10.000.000 antielettroni

Con opportune manovre sulla trappola è possibile confinare

contemporaneamente gli “ingredienti” per produrre antiidrogeno

Produrre antimateria

Campo magnetico(100.000 piùintenso di quello terrestre)

10.000 antiprotoni 10.000.000 antielettroni

Con opportune manovre sulla trappola è possibile confinare

contemporaneamente gli “ingredienti” per produrre antiidrogeno

Produrre antimateria

Una volta prodotto l’antiidrogeno

si annichila sulle pareti di metallo della trappola,

E=mc2

L’energia liberata viene misurata eL’atomo di antiidrogenorivelato

2002-2004:

1.000.000 H(ATHENA, ATRAP)

Importante pietra miliare verso una misura di fisica su antiidrogeno

Filmato

L’esperimento AEgIS

misurare l’accelerazione di

gravità degli antiatomi richiede raggiungere temperature Estremamente basse e raffreddare gli antiprotoni

sino a 100 mKLa caduta degli atomi da misurare è circa

0,02 mm

Prepariamo gli antiatomi

Misure di g (ma anche la spettroscopia) richiedono atomi con bassissima

velocità: m/s

Si parte da antiprotoni o positroni con velocita’ prossime a quelle della luce

300.000 Km/sec

Obiettivo del nuovoEsperimento AEGIS

2002 - ATHENA-ATRAP

Energia iniziale

degli antiprotoni

1GeV= 1013 K 0.1 K 0.001 K10 K106 K 273 K 0.0000001K

AEgIS(Antimatter Experiment: Gravity,

Interferometry, Spectroscopy)

http://aegis.web.cern.ch

asacusa

alpha

Altriesperimenti

INFN Genova, Italy

C. Canali, C. Carraro, L. Di Noto, D. Krasnický, V. Lagomarsino, G. Manuzio, G. Testera, R. Vaccarone, S. Zavatarelli

Accumulatore di antielettroni

Sorgenteantielettroni

Magnete,Trappole,Apparati criogenici…

Fascio antiprotoni

B= 1 TH prod. region100 mK

PositroniumProductionregion

Moiré’ deflectometer

Positrons trap

AD sidep entrance

Stark accelerator

eHPsp**

Positrons fromaccumulator

B=1T

Produrre un fascio orizzontale di antiidrogenoe misurare la deflessione orizzontale de fascio

Questa misura richiede Antiatomi lenti (freddi!)

AEgIS

AEgIS

Positronio: un atomo “ibrido”composto da un elettrone ed un antielettrone:

Zona a 0.1°K sopra

lo zero assoluto

Antiprotone freddo:

Produzione di antiidrogeno

eHPsp**

Campo elettrico (accelera H)

d

h

Conoscendo d, h e la velocità dell’antiatomo si può facilmente calcolare l’accelerazionedi gravità:

Lo spostamento verticale è di circa h = 20 millesimi di mm (lo

spessore di un foglio di alluminio da cucina!) su un percorso di circa un metro!!!

AEgIS

x/a

Segnale sulrivelatoredi posizione al variare dellacoordinata verticale

passo di 80-100 micron

Vh= 600 m/s

x

counts

AEgIS

Vh= 400 m/s

Vh= 600 m/s

x

counts

AEgIS

Vh= 400 m/s

Vh= 600 m/s

Vh= 300 m/s

x

counts

AEgIS

Vh= 400 m/s

Vh= 600 m/s

Vh= 300 m/s

Vh= 250 m/s

x

counts

AEgIS

La prima misura di g su un fascio di antiidrogeno

è prevista entro il 2016

• 108 e+ in 200-300 s

• 5x106 Rydberg Ps.

• 100000 antiprotoni catturati e raffreddati a

100 mK

• rate: 1000 H / 200s

• 100.000 antiatomi per i primi risultati

Conclusioni:L’antimateria rappresenta per alcuni aspetti un enigma per i fisici:

perché il mondo è fatto di materia e non antimateria?

Può essere prodotta in laboratorio (con grandi sforzi tecnologici edeconomici…)

Antimateria prodotta al CERN o FERMILAB negli ultimi anni: nanogrammiCi vorrebbe 1 miliardo di anni per farne un grammo…

Nei prossimi anni verrà studiata per confrontarne le prorietàcon la materia ordinaria (spettroscopia e gravità)

migliore comprensione dei meccanismi di formazione dell’universo

conferma o (clamorosa) smentita di fondamentali teorie della fisica

…sperando di avere presto dall’antimateria una “lezione di gravità”…

Grazie per l’attenzione!