venerdì 20 settembre 2013

I Misteri dell'Antimanteria

Da piccolo pensavo che l'antimateria fosse parte di un Antiuniverso creato durante l'evento che ha dato vita anche al nostro. Mentre il nostro Universo si propagava da 'una parte', l'antiuniverso si espandeva dall'altra.
Secondo la mia fanciullesca teoria, tutto quello che avveniva nell'antiuniverso era simile agli eventi ed alle reazioni del nostro universo soltanto 'visti alla specchio' o 'rovesciati'.

Con la crescita ho abbandonato la teoria dell'Antiuniverso, anche se devo dire che lo Stato Italiano sconvolge le mie nuove convinzioni, visto che rappresenta nel mio immaginario l'antinazione: il posto dove ogni cosa funziona al contrario.

Tornando a fatti di fisica....

Cos'è l'antimateria?

In fisica l'antimateria è l'insieme delle antiparticelle, corrispondenti per massa alle particelle che costituiscono le materia ordinaria, ma con carica di segno opposto. Ad esempio un atomo di "antidrogeno" è composto da un antiprotone caricato negativamente, attorno al quale orbita un positrone (antielettrone) caricato positivamente. Se particella e antiparticella vengono a contatto queste si trasformano in fotoni ad alta energia (raggi gamma) o in altre coppie di particelle-antiparticelle, tali che la somma dell'energia totale, precedente e seguente l'impatto, rimanga costante. (Fonte)

Antimateria come fonte di energia?

Se una parte di antimateria si annichilisce a contatto con della materia ordinaria, tutta la massa delle particelle ed antiparticelle annichilite viene convertita in energia. Questo processo permetterebbe di ottenere enormi quantità di energia da quantità molto piccole di materia ed antimateria, al contrario di quanto avviene invece per le reazioni nucleari e chimiche, dove a parità di massa di combustibili utilizzati viene prodotta una quantità di energia molto più piccola. La reazione di 1 kg di antimateria con 1 kg di materia produce 1,8×1017 J di energia (in base all'equazione E=mc²). Per contro, bruciare 1 kg di petrolio fornisce 4,2×107 J, mentre dalla fusione nucleare di 1 kg di idrogeno si otterrebbero 2,6×1015 J. In altre parole, l'annichilazione della materia con l'antimateria produce circa 70 volte l'energia prodotta dalla fusione nucleare dell'idrogeno in elio e quattro miliardi di volte l'energia prodotta dalla combustione del petrolio. A livello teorico, dato che l'energia prodotta dall'annichilimento materia/antimateria è nettamente superiore a quella prodotta da altri sistemi propulsivi, il rapporto tra peso del carburante e spinta prodotta sarebbe estremamente vantaggioso. L'energia ottenibile dalla reazione di pochi grammi di antimateria con altrettanti di materia sarebbe sufficiente a portare una piccola navicella spaziale sulla Luna. Generare un singolo atomo di antimateria è immensamente difficile e dispendioso, di conseguenza non la si può considerare una fonte di energia. Per produrre antimateria sono necessari acceleratori di particelle ed enormi quantità di energia, molto superiori a quella rilasciata dopo l'annichilazione con la materia ordinaria, rendendo di fatto l'impresa energeticamente ed economicamente non conveniente. La cifra per produrre 10 milligrammi di positroni è stata stimata in 250 miliardi di dollari, equivalenti a 25.000 miliardi di dollari per grammo.[13] La NASA fece una stima di 62.500 miliardi di dollari per produrre un grammo di antidrogeno,[14] considerandolo quindi il materiale più costoso da produrre. Secondo le stime del CERN, la produzione di un miliardesimo di grammo di antiparticelle (il quantitativo utilizzato negli esperimenti) è costato alcuni milioni di Franchi svizzeri.[15] Se fosse possibile produrre e allo stesso tempo immagazzinare facilmente antimateria, il suo uso potrebbe estendersi anche allo smaltimento dei rifiuti compresi quelli ad elevata tossicità come le scorie nucleari con grande produzione di energia. Tuttavia, a meno che non vengano scoperte fonti naturali di antimateria (la NASA ha anche valutato la possibilità di raccogliere con campi magnetici l'antimateria che si forma spontaneamente nelle fasce di van Allen attorno alla terra o attorno ai grandi pianeti come Giove)[16], il suo possibile sfruttamento rimarrà una mera curiosità scientifica.




La Ricerca in ITALIA

L'antimateria è anche umbra. L'esperimento spaziale, i cui primi risultati sono recentemente stati divulgati con dati incoraggianti per la ricerca dell'antimateria, è infatti coordinato dal fisico Roberto Battiston, professore ordinario di Fisica Generale all'Università di Perugia e fondatore del SERMS, il Laboratorio ternano per lo Studio degli Effetti della Radiazione sui Materiali per lo Spazio, dedicato alla caratterizzazione ed alla qualifica di materiali rivelatori da usare nello spazio. Ma non solo. L'Ams-02, il rivelatore che ha scoperto quelle che sembrano le prove dell'abbondante presenza di antimateria nello spazio, agganciato dal 2011 sulla stazione spaziale internazionale Iss, è arrivato lassù con lo shuttle Endeavour, accompagnato dall'astronauta italiano Roberto Vittori, viterbese di nascita ma umbro di adozione. E c'è anche una donna, che vive e lavora in Umbria, coinvolta nel progetto: è la professoressa Bruna Bertucci, dell'INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) di Perugia, che coordina dal 2008 il team di scienziati perugini che ha contribuito alla costruzione del rilevatore ed alle operazioni di rilevamento dei positroni dalla messa in orbita sulla stazione spaziale. I positroni – l'Ams-02 ha rilevato una grande quantità di positroni, le antiparticelle degli elettroni, per questo detti anche antielettroni. Ora è importante capire la loro origine. Potrebbero essere una traccia di materia oscura – ed è questo che si augurano i più di 600 fisici ed ingegneri che stanno lavorando per scoprirlo – o potrebbero provenire dalle stelle pulsar della nostra galassia. (Fonte)

CERN

Il team di ricerca ALPHA del CERN di Ginevra ha recentemente pubblicato su Nature Communications uno studio che analizza il modo in cui l’antimateria risente della gravità. L’obiettivo dell’esperimento ALPHA era la creazione e lo studio dell’anti-idrogeno, il più semplice atomo di antimateria. Gli scienziati hanno però osservato che i dati raccolti nel 2010 e nel 2011 su 434 atomi di anti-idrogeno potevano essere sfruttati anche per ottenere informazioni sulla forza di gravità. Jeffrey Hangst, professore danese e primo autore dell’articolo, ha chiarito che «al momento non possiamo ancora dire se l’anti-idrogeno risenta della gravità o dell’antigravità. Con i nostri studi abbiamo mostrato, per la prima volta, che è possibile compiere misure gravitazionali sull’antimateria. Il prossimo passo sarà migliorare il sistema di misura, per rendere i risultati più accurati.» Ma se l’esperimento dimostrasse che l’antimateria viene respinta dalla materia ordinaria, anzichè esserne attratta, che cosa cambierebbe? «Tutto. Questo significherebbe che non abbiamo capito nulla sull’evoluzione dell’universo e dovremmo rivedere tutti i nostri modelli. Sarebbe una completa rivoluzione», ha spiegato il Prof. Hangst. «La fisica è piena di teorie secondo cui l’interazione tra materia e antimateria è gravitazionale, e ci sono anche una serie di misure indirette a confermarlo. Ma fino a quando non verrà eseguita una misurazione diretta, non possiamo esserne certi. Questo è ciò che il nostro esperimento dovrà stabilire.» L’apparato ALPHA funziona come una trappola per antimateria, capace di formare e trattenere l’anti-idrogeno per più di mille secondi. Una volta rilasciati, gli atomi vengono fatti cadere e si osserva da che parte escono dalla trappola. Il procedimento è molto simile all’esperimento della Torre di Pisa di Galileo, l’unica differenza è che al posto delle sferette c’è l’antimateria. «Lasciamo gli atomi in caduta libera, e cerchiamo di capire da che parte si muovono», ha spiegato Jeffrey Hangst. «Al momento non sappiamo ancora da che parte vadano, perchè quando li lasciamo andare si stanno muovendo. È come se facessimo l’esperimento della torre di Pisa lanciando le sferette in direzioni casuali: queste potrebbero salire per un po’, ma poi comunque cadrebbero. L’anti-idrogeno invece decade prima di avere il tempo di accorgersi della gravità, poichè urta contro le pareti della macchina prima ancora di iniziare a precipitare.» Anche se interessante e affascinate, la gravità non è in realtà l’obiettivo fondamentale della collaborazione internazionale ALPHA, ma è considerata alla stregua di un hobby. Dall’anno scorso è iniziata la completa ricostruzione dell’apparato sperimentale. La nuova macchina si chiama ALPHA-2 e costerà circa cinque milioni di franchi svizzeri. Il suo obiettivo sarà studiare a fondo le proprietà dell’atomo di anti-idrogeno. «Ci vuole molto tempo per rendere la macchina funzionante, per questo il nostro team di quaranta persone sta lavorando anche con gli acceleratori del CERN spenti. È un sistema molto complesso, ogni giorno abbiamo nuove sfide da affrontare». E sarà possibile creare altri tipi di atomi di antimateria? «No – ha risposto sicuro Jeffrey Hangst – con il metodo utilizzato attualmente non potremo avere atomi più pesanti dell’idrogeno, è estremamente improbabile che si formi anche un solo nucleo di elio. Tra l’altro, il nostro apparato è in grado di generare appena un atomo di anti-idrogeno per volta».

Dott. Gianluca Dotti

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