Sintesi dell'antimateria. Esattamente il contrario

ANTIMATERIA, una sostanza costituita da atomi i cui nuclei hanno una carica elettrica negativa e sono circondati da positroni - elettroni con carica elettrica positiva. Nella materia ordinaria, da cui è costruito il mondo che ci circonda, i nuclei carichi positivamente sono circondati da elettroni carichi negativamente. Per distinguerla dall'antimateria, la materia ordinaria viene talvolta chiamata coinemateria (dal greco. koinos- ordinario). Tuttavia, questo termine non è praticamente usato nella letteratura russa. Va sottolineato che il termine “antimateria” non è del tutto corretto, poiché anche l’antimateria è una sostanza, un suo tipo. L'antimateria ha le stesse proprietà inerziali e crea la stessa attrazione gravitazionale della materia ordinaria.

Quando si parla di materia e antimateria, è logico iniziare con le particelle elementari (subatomiche). Ogni particella elementare ha un'antiparticella; entrambi hanno quasi le stesse caratteristiche, tranne che hanno cariche elettriche opposte. (Se la particella è neutra, allora anche l'antiparticella è neutra, ma possono differire in altre caratteristiche. In alcuni casi, la particella e l'antiparticella sono identiche tra loro.) Pertanto, un elettrone, una particella carica negativamente, corrisponde a un positrone e l'antiparticella di un protone con carica positiva è un antiprotone con carica negativa. Il positrone fu scoperto nel 1932 e l'antiprotone nel 1955; queste furono le prime antiparticelle scoperte. L'esistenza delle antiparticelle fu prevista nel 1928 sulla base della meccanica quantistica dal fisico inglese P. Dirac.

Quando un elettrone e un positrone si scontrano si annichilano, cioè entrambe le particelle scompaiono e dal punto della loro collisione vengono emessi due raggi gamma. Se le particelle in collisione si muovono a bassa velocità, l'energia di ciascun quanto gamma è 0,51 MeV. Questa energia è l'"energia a riposo" dell'elettrone, o la sua massa a riposo, espressa in unità di energia. Se le particelle in collisione si muovono ad alta velocità, l'energia dei raggi gamma sarà maggiore a causa della loro energia cinetica. L'annichilazione avviene anche quando un protone urta un antiprotone, ma in questo caso il processo è molto più complicato. Un certo numero di particelle di breve durata nascono come prodotti intermedi dell'interazione; tuttavia, dopo pochi microsecondi, come prodotti finali delle trasformazioni rimangono neutrini, raggi gamma e un piccolo numero di coppie elettrone-positrone. Queste coppie possono eventualmente annichilarsi, creando ulteriori raggi gamma. L'annichilazione avviene anche quando un antineutrone collide con un neutrone o un protone.

Poiché esistono le antiparticelle, sorge la domanda se gli antinuclei possano essere formati da antiparticelle. I nuclei degli atomi della materia ordinaria sono costituiti da protoni e neutroni. Il nucleo più semplice è il nucleo dell'isotopo dell'idrogeno ordinario 1 H; rappresenta un singolo protone. Il nucleo del deuterio 2H è costituito da un protone e un neutrone; si chiama deuterone. Un altro esempio di nucleo semplice è il nucleo 3He, costituito da due protoni e un neutrone. L'antideutone, costituito da un antiprotone e un antineutrone, fu ottenuto in laboratorio nel 1966; Il nucleo anti-3He, costituito da due antiprotoni e un antineutrone, fu ottenuto per la prima volta nel 1970.

Secondo la moderna fisica delle particelle, con gli opportuni mezzi tecnici, sarebbe possibile ottenere gli antinuclei di tutti i nuclei ordinari. Se questi antinuclei sono circondati dal giusto numero di positroni, allora formano antiatomi. Gli antiatomi avrebbero quasi esattamente le stesse proprietà degli atomi ordinari; formerebbero molecole da cui si potrebbero formare solidi, liquidi e gas, comprese le sostanze organiche. Ad esempio, due antiprotoni e un nucleo di antiossigeno, insieme a otto positroni, potrebbero formare una molecola di antiacqua simile all'acqua ordinaria H 2 O, ciascuna delle quali è costituita da due protoni di nuclei di idrogeno, un nucleo di ossigeno e otto elettroni. La moderna teoria delle particelle è in grado di prevedere che l'antiacqua congelerà a 0°C, bollirà a 100°C e si comporterà comunque come l'acqua normale. Continuando questo ragionamento, possiamo giungere alla conclusione che un anti-mondo costruito dall'antimateria sarebbe estremamente simile al mondo ordinario che ci circonda. Questa conclusione funge da punto di partenza per le teorie di un universo simmetrico, basate sul presupposto che l'universo contenga quantità uguali di materia ordinaria e antimateria. Viviamo in quella parte di esso che consiste di materia ordinaria.

Se due pezzi identici di sostanze di tipo opposto vengono messi in contatto, si verificherà l'annichilazione degli elettroni con i positroni e dei nuclei con gli antinuclei. In questo caso appariranno dei quanti gamma, dall'apparenza dei quali si può giudicare cosa sta succedendo. Poiché la Terra, per definizione, è costituita da materia ordinaria, in essa non sono presenti quantità apprezzabili di antimateria, ad eccezione del minuscolo numero di antiparticelle prodotte nei grandi acceleratori e nei raggi cosmici. Lo stesso vale per l’intero sistema solare.

Le osservazioni mostrano che nella nostra Galassia viene prodotta solo una quantità limitata di radiazioni gamma. Da ciò alcuni ricercatori concludono che non contiene quantità notevoli di antimateria. Ma questa conclusione non è indiscutibile. Attualmente non esiste alcun modo per determinare, ad esempio, se una data stella vicina sia composta di materia o antimateria; una stella di antimateria emette esattamente lo stesso spettro di una stella normale. Inoltre, è del tutto possibile che la materia rarefatta che riempie lo spazio attorno alla stella ed è identica alla materia della stella stessa sia separata da aree piene di materia del tipo opposto: "strati di Leidenfrost" molto sottili ad alta temperatura. Possiamo quindi parlare di una struttura “cellulare” dello spazio interstellare e intergalattico, in cui ogni cellula contiene materia o antimateria. Questa ipotesi è supportata dalla ricerca moderna che mostra che la magnetosfera e l'eliosfera (spazio interplanetario) hanno una struttura cellulare. Celle con magnetizzazioni diverse e talvolta anche temperature e densità diverse sono separate da gusci di corrente molto sottili. Ciò porta alla conclusione paradossale che queste osservazioni non contraddicono l’esistenza dell’antimateria nemmeno all’interno della nostra Galassia.

Se prima non c'erano argomenti convincenti a favore dell'esistenza dell'antimateria, ora i successi dell'astronomia a raggi X e gamma hanno cambiato la situazione. Sono stati osservati fenomeni associati ad un rilascio di energia enorme e spesso molto disordinato. Molto probabilmente, la fonte di tale rilascio di energia era l'annientamento.

Il fisico svedese O. Klein ha sviluppato una teoria cosmologica basata sull'ipotesi di simmetria tra materia e antimateria ed è giunto alla conclusione che i processi di annichilazione svolgono un ruolo decisivo nell'evoluzione dell'Universo e nella formazione della struttura delle galassie.

Sta diventando sempre più chiaro che la principale teoria alternativa, la teoria del “big bang”, contraddice seriamente i dati osservativi e che la “cosmologia simmetrica” probabilmente occuperà un posto centrale nella risoluzione dei problemi cosmologici nel prossimo futuro.

L'antimateria è la materia costituita esclusivamente da antiparticelle. In natura ogni particella elementare ha un'antiparticella. Per un elettrone sarà un positrone, mentre per un protone carico positivamente sarà un antiprotone. Atomi della materia ordinaria - altrimenti si chiamano sostanza della moneta- sono costituiti da un nucleo carico positivamente attorno al quale si muovono gli elettroni. E i nuclei carichi negativamente degli atomi di antimateria, a loro volta, sono circondati da antielettroni.

Le forze che determinano la struttura della materia sono le stesse sia per le particelle che per le antiparticelle. In poche parole, le particelle differiscono solo nel segno della loro carica. È caratteristico che “antimateria” non sia proprio il nome corretto. Essenzialmente è solo un tipo di sostanza che ha le stesse proprietà ed è capace di creare attrazione.

Annientamento

In realtà, questo è il processo di collisione tra un positrone e un elettrone. Di conseguenza, avviene la reciproca distruzione (annientamento) di entrambe le particelle con il rilascio di un'enorme energia. L'annientamento di 1 grammo di antimateria equivale all'esplosione di una carica di TNT da 10 kilotoni!

Sintesi

Nel 1995 fu annunciato che erano stati sintetizzati i primi nove atomi di antiidrogeno. Vissero per 40 nanosecondi e morirono, rilasciando energia. E già nel 2002 il numero di atomi ottenuti era di centinaia. Ma tutte le antiparticelle risultanti potrebbero sopravvivere solo per nanosecondi. Le cose sono cambiate con il lancio del collisore di adroni: sono riusciti a sintetizzare 38 atomi di antiidrogeno e trattenerli per un intero secondo. Durante questo periodo di tempo è diventato possibile condurre alcune ricerche sulla struttura dell'antimateria. Hanno imparato a trattenere le particelle dopo aver creato una speciale trappola magnetica. Per ottenere l'effetto desiderato, viene creata una temperatura molto bassa. È vero, una simile trappola è un affare molto ingombrante, complesso e costoso.

Nella trilogia di S. Snegov “People Like Gods”, il processo di annientamento viene utilizzato per i voli intergalattici. Gli eroi del romanzo, usandolo, trasformano stelle e pianeti in polvere. Ma ai nostri giorni, ottenere l'antimateria è molto più difficile e costoso che nutrire l'umanità.

Quanto costa l'antimateria?

Un milligrammo di positroni dovrebbe costare 25 miliardi di dollari. E per un grammo di antiidrogeno bisognerà pagare 62,5 trilioni di dollari.

Non è ancora apparsa una persona così generosa da poter comprare anche un centesimo di grammo. Per ottenere materiale per esperimenti sulla collisione di particelle e antiparticelle si sono dovute pagare diverse centinaia di milioni di franchi per un miliardesimo di grammo. Finora non esiste alcuna sostanza in natura che sia più costosa dell’antimateria.

Ma tutto è abbastanza semplice con la questione del peso dell'antimateria. Poiché differisce dalla materia ordinaria solo nella carica, tutte le altre caratteristiche sono le stesse. Si scopre che un grammo di antimateria peserà esattamente un grammo.

Mondo dell'antimateria

Se accettiamo come vero che ci fu, allora come risultato di questo processo dovrebbero essersi formate quantità uguali sia di materia che di antimateria. Allora perché non osserviamo oggetti fatti di antimateria vicino a noi? La risposta è abbastanza semplice: i due tipi di materia non possono coesistere insieme. Si distruggeranno sicuramente a vicenda. È probabile che esistano galassie e persino universi fatti di antimateria, e ne vediamo anche alcuni. Ma da essi emana la stessa radiazione, da essi proviene la stessa luce, come dalle galassie ordinarie. Pertanto, è ancora impossibile dire con certezza se l'antimondo esista o se sia una bella fiaba.

È pericoloso?

L’umanità ha trasformato molte scoperte utili in mezzi di distruzione. L’antimateria in questo senso non può fare eccezione. Non è ancora possibile immaginare un’arma più potente di quella basata sul principio dell’annientamento. Forse non è poi così grave che non sia ancora possibile estrarre e immagazzinare l’antimateria? Diventerà una campana fatale che l'umanità sentirà nel suo ultimo giorno?

Recentemente, i membri della collaborazione ALICE al CERN hanno misurato le masse dei nuclei di antimateria con una precisione record e hanno persino stimato l’energia che lega gli antiprotoni agli antineutroni in essi contenuti. Finora non è stata trovata alcuna differenza significativa tra questi parametri nella materia e nell'antimateria, ma questa non è la cosa principale. È importante che proprio ora, negli ultimi anni, non solo le antiparticelle, ma anche gli antinuclei e persino gli antiatomi siano diventati disponibili per misurazioni e osservazioni. Ciò significa che è tempo di capire cos’è l’antimateria e quale posto occupa la sua ricerca nella fisica moderna.

Proviamo a indovinare alcune delle tue prime domande sull'antimateria.

È vero che è possibile realizzare una bomba super potente utilizzando l’antimateria? È possibile che al CERN si stia effettivamente accumulando antimateria, come mostrato nel film Angeli e demoni, e che sia molto pericoloso? È vero che l’antimateria sarà un carburante estremamente efficiente per i viaggi spaziali? C'è qualcosa di vero nell'idea di un cervello positronico di cui Isaac Asimov ha dotato i robot nelle sue opere?...

Non è un segreto che per la maggior parte delle persone l'antimateria sia associata a qualcosa di estremamente (esplosivamente) pericoloso, a qualcosa di sospetto, a qualcosa che stimola l'immaginazione con promesse fantastiche e rischi enormi - da qui tali domande. Ammettiamolo: le leggi della fisica non vietano direttamente tutto questo. Tuttavia, l’attuazione di queste idee è così lontana dalla realtà, dalle tecnologie moderne e da quelle dei prossimi decenni, che la risposta pragmatica è semplice: no, per il mondo moderno questo non è vero. La conversazione su questi argomenti è semplicemente fantasia, basata non su reali risultati scientifici e tecnici, ma sulla loro estrapolazione ben oltre i limiti delle capacità moderne. Se vuoi avere una conversazione seria su questi argomenti, avvicinati al 2100. Per ora parliamo della ricerca scientifica vera e propria sull'antimateria.

Cos'è l'antimateria?

Il nostro mondo è progettato in modo tale che per ogni tipo di particella - elettroni, protoni, neutroni, ecc. - esistono antiparticelle (positroni, antiprotoni, antineutroni). Hanno la stessa massa e, se sono instabili, lo stesso tempo di dimezzamento, ma cariche opposte e altri numeri che caratterizzano l'interazione. I positroni hanno la stessa massa degli elettroni, ma solo una carica positiva. Gli antiprotoni hanno una carica negativa. Gli antineutroni sono elettricamente neutri, proprio come i neutroni, ma hanno il numero barionico opposto e sono composti da antiquark. Un antinucleo può essere assemblato da antiprotoni e antineutroni. Aggiungendo positroni creiamo antiatomi e accumulandoli otteniamo antimateria. Tutto questo è antimateria.

E qui ci sono diverse sottigliezze interessanti di cui vale la pena parlare. Innanzitutto, l’esistenza stessa delle antiparticelle è un enorme trionfo della fisica teorica. Questa idea non ovvia, e per alcuni addirittura scioccante, è stata teoricamente derivata da Paul Dirac e inizialmente è stata accolta con ostilità. Inoltre, anche dopo la scoperta dei positroni, molti dubitavano ancora dell'esistenza degli antiprotoni. In primo luogo, hanno detto, Dirac ha elaborato la sua teoria per descrivere l'elettrone, e non è un dato di fatto che funzionerà per il protone. Ad esempio, il momento magnetico del protone differisce molte volte dalla previsione della teoria di Dirac. In secondo luogo, hanno cercato a lungo tracce di antiprotoni nei raggi cosmici, ma non è stato trovato nulla. In terzo luogo, hanno sostenuto - ripetendo letteralmente le nostre parole - che se ci sono antiprotoni, allora devono esserci antiatomi, antistelle e antigalassie, e li noteremmo sicuramente nelle grandiose esplosioni cosmiche. Dal momento che non lo vediamo, probabilmente è perché l’antimateria non esiste. Pertanto, la scoperta sperimentale dell'antiprotone nel 1955 presso l'acceleratore Bevatron appena lanciato fu un risultato piuttosto non banale, premiato con il Premio Nobel per la fisica per il 1959. Nel 1956, nello stesso acceleratore fu scoperto l'antineutrone. La storia di queste ricerche, dubbi e risultati può essere trovata in numerosi saggi storici, ad esempio in questo rapporto o nel recente libro di Frank Close Antimatter.

Va però detto separatamente che un sano dubbio nelle affermazioni puramente teoriche è sempre utile. Ad esempio, anche l’affermazione che le antiparticelle hanno la stessa massa delle particelle è un risultato teorico; deriva da un teorema CPT molto importante. Sì, la fisica moderna e sperimentalmente testata del micromondo si basa su questa affermazione. Ma è pur sempre una parità: chissà, forse così troveremo i limiti di applicabilità della teoria.

Un'altra caratteristica: non tutte le forze del micromondo si riferiscono allo stesso modo a particelle e antiparticelle. Per le interazioni elettromagnetiche e forti non c'è differenza tra loro, per quelle deboli sì. Per questo motivo, alcuni dettagli sottili delle interazioni di particelle e antiparticelle differiscono, ad esempio, le probabilità di decadimento della particella A in un insieme di particelle B e dell'anti-A in un insieme di anti-B (per maggiori dettagli sulla differenze, vedi la collezione di Pavel Pakhov). Questa caratteristica nasce perché le interazioni deboli rompono la simmetria CP del nostro mondo. Ma il motivo per cui ciò accade è uno dei misteri delle particelle elementari e richiede di andare oltre i limiti del conosciuto.

Ecco un'altra sottigliezza: alcune particelle hanno così poche caratteristiche che le antiparticelle e le particelle non differiscono affatto l'una dall'altra. Tali particelle sono chiamate veramente neutre. Si tratta di un fotone, un bosone di Higgs, mesoni neutri, costituiti da quark e antiquark dello stesso tipo. Ma la situazione con i neutrini non è ancora chiara: forse sono veramente neutrali (Majorana), o forse no. Ciò è di fondamentale importanza per la teoria che descrive le masse e le interazioni dei neutrini. La risposta a questa domanda sarà davvero un grande passo avanti, perché ci aiuterà a comprendere la struttura del nostro mondo. L'esperimento non ha ancora detto nulla di inequivocabile al riguardo. Ma il programma sperimentale per la ricerca sui neutrini è così potente, vengono condotti così tanti esperimenti che i fisici si stanno gradualmente avvicinando alla soluzione.

Dov'è questa antimateria?

Quando un'antiparticella incontra la sua particella, si annichila: entrambe le particelle scompaiono e si trasformano in un insieme di fotoni o particelle più leggere. Tutta l'energia riposante si trasforma nell'energia di questa micro-esplosione. Questa è la conversione più efficiente della massa in energia termica, centinaia di volte più efficiente di un'esplosione nucleare. Ma intorno a noi non vediamo alcuna grandiosa esplosione naturale; L’antimateria non esiste in quantità apprezzabili in natura. Tuttavia, le singole antiparticelle potrebbero nascere in una varietà di processi naturali.

Il modo più semplice è creare positroni. L'opzione più semplice è la radioattività, il decadimento di alcuni nuclei dovuto alla radioattività beta positiva. Ad esempio, negli esperimenti come fonte di positroni viene spesso utilizzato l'isotopo sodio-22 con un tempo di dimezzamento di due anni e mezzo. Un'altra fonte naturale, piuttosto inaspettata, è quella in cui a volte vengono rilevati lampi di radiazioni gamma derivanti dall'annichilazione dei positroni, il che significa che in qualche modo i positroni sono nati lì.

È più difficile creare antiprotoni e altre antiparticelle: non c'è abbastanza energia di decadimento radioattivo per questo. In natura nascono sotto l'influenza dei raggi cosmici ad alta energia: un protone cosmico, scontrandosi con qualche molecola negli strati superiori dell'atmosfera, genera flussi di particelle e antiparticelle. Ma lassù succede questo, gli antiprotoni non raggiungono quasi mai la terra (cosa sconosciuta a chi negli anni '40 cercava gli antiprotoni nei raggi cosmici) e non è possibile portare questa fonte di antiprotoni in laboratorio.

In tutti gli esperimenti di fisica, gli antiprotoni vengono prodotti mediante la “forza bruta”: prendono un fascio di protoni ad alta energia, lo dirigono verso un bersaglio e separano gli “scarti di adroni” che vengono prodotti in grandi quantità in questa collisione. Gli antiprotoni ordinati vengono emessi sotto forma di un raggio e quindi vengono accelerati ad alte energie per entrare in collisione con i protoni (così, ad esempio, ha funzionato il collisore americano Tevatron) o, al contrario, vengono rallentati e utilizzato per misurazioni più sottili.

Al CERN, che può giustamente vantare una lunga storia di ricerca sull’antimateria, esiste uno speciale “acceleratore” AD, l’“Antiproton Moderator”, che svolge proprio questo compito. Prende un fascio di antiprotoni, li raffredda (cioè li rallenta) e quindi distribuisce il flusso di antiprotoni lenti su diversi esperimenti speciali. A proposito, se vuoi vedere lo stato dell'AD in tempo reale, i monitor online di Cernov lo consentono.

È già molto difficile sintetizzare gli antiatomi, anche i più semplici, gli atomi di antiidrogeno. Non si presentano affatto in natura: non esistono condizioni adatte. Anche in laboratorio devono essere superate molte difficoltà tecniche prima che gli antiprotoni si degnino di combinarsi con i positroni. Il problema è che gli antiprotoni e i positroni emessi dalle sorgenti sono ancora troppo caldi; semplicemente si scontreranno tra loro e si disperderanno, invece di formare un anti-atomo. I fisici superano ancora queste difficoltà, ma con metodi piuttosto ingegnosi (come avviene in uno degli esperimenti del Cern ASACUSA).

Cosa si sa degli antinuclei?

Tutte le conquiste antiatomiche dell'umanità riguardano solo l'antiidrogeno. Gli antiatomi di altri elementi non sono stati ancora sintetizzati in laboratorio né osservati in natura. Il motivo è semplice: gli antinuclei sono ancora più difficili da creare degli antiprotoni.

L'unico modo che conosciamo per creare antinuclei è far collidere nuclei pesanti di alte energie e vedere cosa succede lì. Se l'energia di collisione è elevata, migliaia di particelle, inclusi antiprotoni e antineutroni, nasceranno e si disperderanno in tutte le direzioni. Antiprotoni e antineutroni emessi accidentalmente in una direzione possono combinarsi tra loro per formare un antinucleo.

Il rilevatore ALICE può distinguere tra diversi nuclei e antinuclei in base al loro rilascio di energia e alla direzione della torsione in un campo magnetico.

Immagine: CERN

Il metodo è semplice, ma non troppo inefficace: la probabilità di sintetizzare un nucleo in questo modo diminuisce drasticamente all'aumentare del numero di nucleoni. Gli antinuclei più leggeri, gli antideutoni, furono osservati per la prima volta esattamente mezzo secolo fa. L'antielio-3 è stato osservato nel 1971. Sono noti anche l'antitritone e l'antielio-4, quest'ultimo scoperto abbastanza recentemente, nel 2011. Antinuclei più pesanti non sono ancora stati osservati.

Due parametri che descrivono le interazioni nucleone-nucleone (lunghezza di diffusione f0 e raggio effettivo d0) per diverse coppie di particelle. L'asterisco rosso è il risultato di una coppia di antiprotoni ottenuti dalla collaborazione STAR.

Sfortunatamente, non è possibile creare antiatomi in questo modo. Gli antinuclei non solo vengono prodotti raramente, ma hanno anche troppa energia e volano in tutte le direzioni. Cercare di catturarli in un collisore e poi portarli attraverso un canale speciale e raffreddarli non è realistico.

Tuttavia, a volte è sufficiente seguire attentamente gli antinuclei in volo per ottenere alcune informazioni interessanti sulle forze antinucleari che agiscono tra gli antinucleoni. La cosa più semplice è misurare attentamente la massa degli antinuclei, confrontarla con la somma delle masse degli antiprotoni e degli antineutroni e calcolare il difetto di massa, cioè energia di legame nucleare. Recentemente è operativo al Large Hadron Collider; L'energia di legame per l'antideuterone e l'antielio-3 coincideva entro i limiti di errore con i nuclei ordinari.

Un altro effetto più sottile è stato studiato dall'esperimento STAR presso il collisore di ioni pesanti americano RHIC. Misurò la distribuzione angolare degli antiprotoni prodotti e scoprì come cambia quando due antiprotoni vengono emessi in una direzione molto ravvicinata. Le correlazioni tra antiprotoni hanno permesso per la prima volta di misurare le proprietà delle forze “antinucleari” agenti tra loro (lunghezza di scattering e raggio effettivo di interazione); coincidevano con ciò che sappiamo sull'interazione dei protoni.

Esiste antimateria nello spazio?

Quando Paul Dirac dedusse l'esistenza dei positroni dalla sua teoria, dava per scontato che da qualche parte nello spazio potessero esistere dei veri antimondi. Ora sappiamo che non ci sono stelle, pianeti o galassie fatte di antimateria nella parte visibile dell'Universo. Il punto non è nemmeno che le esplosioni di annientamento non siano visibili; È semplicemente del tutto inimmaginabile come possano essersi formati e sopravvivere fino ai giorni nostri in un universo in continua evoluzione.

Ma la domanda “come è potuto accadere” è un altro enorme mistero della fisica moderna; nel linguaggio scientifico si chiama problema della bariogenesi. Secondo l'immagine cosmologica del mondo, nell'universo primordiale c'erano un numero uguale di particelle e antiparticelle. Quindi, a causa della violazione della simmetria CP e del numero barionico, in un universo in via di sviluppo dinamico avrebbe dovuto apparire un piccolo eccesso di materia sull'antimateria, al livello di un miliardesimo. Quando l’universo si raffreddò, tutte le antiparticelle si ricotturarono con particelle; solo questo eccesso di materia sopravvisse, dando vita all’universo che osserviamo. È grazie a lui che rimane almeno qualcosa di interessante, è grazie a lui che esistiamo. Non è noto come sia nata esattamente questa asimmetria. Ci sono molte teorie, ma quale sia quella vera non è noto. È solo chiaro che si tratta sicuramente di una sorta di Nuova Fisica, una teoria che va oltre il Modello Standard, oltre i confini di ciò che è stato verificato sperimentalmente.

Tre opzioni per la provenienza delle antiparticelle nei raggi cosmici ad alta energia: 1 - possono semplicemente sorgere e accelerare in un “acceleratore cosmico”, ad esempio in una pulsar; 2 - possono nascere durante collisioni di raggi cosmici ordinari con atomi del mezzo interstellare; 3 - possono formarsi durante il decadimento delle particelle pesanti di materia oscura.

Sebbene non esistano pianeti o stelle costituiti da antimateria, l'antimateria è ancora presente nello spazio. Flussi di positroni e antiprotoni di diverse energie vengono registrati da osservatori satellitari di raggi cosmici, come PAMELA, Fermi, AMS-02. Il fatto che positroni e antiprotoni arrivino a noi dallo spazio significa che sono nati da qualche parte là fuori. I processi ad alta energia che possono generarli sono noti in linea di principio: si tratta di quartieri altamente magnetizzati di stelle di neutroni, varie esplosioni, accelerazione dei raggi cosmici sui fronti delle onde d'urto nel mezzo interstellare, ecc. La domanda è se possano spiegare tutte le proprietà osservate del flusso di antiparticelle cosmiche. Se così non fosse, ciò dimostrerebbe che alcuni di essi derivano dal decadimento o dall'annientamento delle particelle di materia oscura.

Anche qui c'è un mistero. Nel 2008, l’osservatorio PAMELA ha scoperto un numero sospettosamente elevato di positroni ad alta energia rispetto a quanto previsto dai modelli teorici. Questi risultati sono stati recentemente confermati dall'installazione AMS-02, uno dei moduli della Stazione Spaziale Internazionale e, in generale, il più grande rilevatore di particelle elementari lanciato nello spazio (e assemblato, indovinate dove? - correttamente, al CERN). Questo eccesso di positroni eccita le menti dei teorici: dopo tutto, potrebbero non essere gli oggetti astrofisici "noiosi" a esserne responsabili, ma le particelle pesanti di materia oscura che decadono o si annichilano in elettroni e positroni. Non c'è ancora chiarezza su questo punto, ma l'installazione AMS-02, così come molti fisici critici, stanno studiando questo fenomeno con molta attenzione.

Il rapporto tra antiprotoni e protoni nei raggi cosmici di diverse energie. I punti sono dati sperimentali, le curve multicolori sono aspettative astrofisiche con vari errori.

Immagine: Biblioteca della Cornell University

Anche la situazione con gli antiprotoni non è chiara. Nell'aprile di quest'anno, AMS-02 ha presentato i risultati preliminari di un nuovo ciclo di ricerca in una conferenza scientifica speciale. Il punto principale del rapporto è l’affermazione che AMS-02 vede troppi antiprotoni ad alta energia – e questo potrebbe anche essere un indizio del decadimento delle particelle di materia oscura. Tuttavia, altri fisici non sono d’accordo con una conclusione così allegra. Si ritiene ora che i dati sugli antiprotoni provenienti da AMS-02, con qualche allungamento, possano essere spiegati da fonti astrofisiche convenzionali. In un modo o nell'altro, tutti attendono con impazienza i nuovi dati su positroni e antiprotoni provenienti da AMS-02.

AMS-02 ha già rilevato milioni di positroni e un quarto di milione di antiprotoni. Ma i creatori di questa installazione hanno un sogno luminoso: catturare almeno un antinucleo. Sarà una vera sensazione: è assolutamente incredibile che gli antinuclei possano nascere da qualche parte nello spazio e volare verso di noi. Finora non è stato scoperto alcun caso del genere, ma la raccolta dati continua e chissà quali sorprese ci riserverà la natura.

Antimateria - antigravità? Come fa a percepire la gravità?

Se ci basiamo solo sulla fisica verificata sperimentalmente e non entriamo in teorie esotiche e non ancora confermate, allora la gravità dovrebbe agire sull'antimateria esattamente allo stesso modo che sulla materia. Per l’antimateria non è prevista alcuna antigravità. Se ci permettiamo di guardare un po' più in là, oltre i limiti del conosciuto, allora le opzioni puramente teoricamente possibili sono quando, oltre alla solita forza gravitazionale universale, c'è qualcosa di aggiuntivo che agisce in modo diverso sulla materia e sull'antimateria. Per quanto illusoria possa sembrare questa possibilità, essa necessita di essere verificata sperimentalmente, e per questo è necessario effettuare esperimenti per verificare come l’antimateria sente la gravità terrestre.

Per molto tempo non è stato possibile farlo per il semplice motivo che per questo è necessario creare singoli atomi di antimateria, intrappolarli e condurre esperimenti con essi. Ora abbiamo imparato come farlo, quindi il tanto atteso test è proprio dietro l'angolo.

Il principale fornitore dei risultati è lo stesso CERN con il suo vasto programma per lo studio dell'antimateria. Alcuni di questi esperimenti hanno già indirettamente verificato che la gravità dell’antimateria va bene. Ad esempio, scoprì che la massa (inerte) dell'antiprotone coincide con la massa del protone con altissima precisione. Se la gravità avesse agito diversamente sugli antiprotoni, i fisici avrebbero notato la differenza: dopotutto il confronto è stato effettuato nella stessa installazione e nelle stesse condizioni. Il risultato di questo esperimento: l'effetto della gravità sugli antiprotoni coincide con l'effetto sui protoni con una precisione migliore di un milionesimo.

Tuttavia, questa misurazione è indiretta. Per essere più convincente, vorrei condurre un esperimento diretto: prendere diversi atomi di antimateria, lasciarli cadere e vedere come cadono in un campo gravitazionale. Tali esperimenti vengono condotti o preparati anche al CERN. Il primo tentativo non è stato molto impressionante. Nel 2013, l’esperimento ALPHA – che ormai aveva già imparato a trattenere una nuvola di antiidrogeno nella sua trappola – ha cercato di determinare dove sarebbero caduti gli antiatomi se la trappola fosse stata disattivata. Purtroppo, a causa della scarsa sensibilità dell'esperimento, non è stato possibile ottenere una risposta univoca: era trascorso troppo poco tempo, gli antiatomi correvano avanti e indietro nella trappola e qua e là si verificavano esplosioni di annientamento.

Altri due esperimenti del Cern promettono di migliorare radicalmente la situazione: GBAR e AEGIS. Entrambi questi esperimenti metteranno alla prova in modi diversi il modo in cui una nuvola di antiidrogeno ultrafreddo cade in un campo gravitazionale. La loro precisione prevista nella misurazione dell'accelerazione di gravità per l'antimateria è di circa l'1%. Entrambe le installazioni sono attualmente in fase di assemblaggio e debug, e la ricerca principale inizierà nel 2017, quando il moderatore di antiprotoni AD sarà integrato dal nuovo anello di accumulazione ELENA.

Varianti del comportamento dei positroni nella materia solida.

Immagine: nature.com

Cosa succede se un positrone entra nella materia?

Formazione di positronio molecolare su una superficie di quarzo.

Immagine: Clifford M. Surko / Fisica atomica: un soffio di zuppa di antimateria

Se hai letto fin qui, sai già benissimo che non appena una particella di antimateria entra nella materia ordinaria, avviene l'annichilazione: le particelle e l'antiparticella scompaiono e si trasformano in radiazione. Ma quanto velocemente ciò accade? Immaginiamo un positrone che esce dal vuoto ed entra in una sostanza solida. Si annienterà al contatto con il primo atomo? Per niente necessario! L'annichilazione di un elettrone e di un positrone non è un processo istantaneo; richiede molto tempo su scala atomica. Pertanto, il positrone riesce a vivere nella materia una vita luminosa, ricca di eventi non banali.

Innanzitutto, un positrone può raccogliere un elettrone orfano e formare uno stato legato, il positronio (Ps). Dato un orientamento di rotazione adeguato, il positronio può vivere per decine di nanosecondi prima dell'annichilazione. Essendo nella materia solida, durante questo periodo avrà il tempo di scontrarsi con gli atomi milioni di volte, perché la velocità termica del positronio a temperatura ambiente è di circa 25 km/sec.

In secondo luogo, andando alla deriva in una sostanza, il positronio può venire in superficie e attaccarsi lì: questo è un analogo positronico (o meglio, positronio) dell'adsorbimento atomico. A temperatura ambiente, non si ferma nello stesso posto, ma viaggia attivamente lungo la superficie. E se questa non è una superficie esterna, ma un poro di dimensioni nanometriche, il positronio rimane intrappolato al suo interno per molto tempo.

Inoltre. Nel materiale standard per tali esperimenti, il quarzo poroso, i pori non sono isolati, ma sono collegati tramite nanocanali in una rete comune. Il positronio caldo, strisciando lungo la superficie, avrà il tempo di esaminare centinaia di pori. E poiché in tali esperimenti si forma molto positronio e quasi tutti strisciano nei pori, prima o poi si scontrano e, interagendo, a volte formano vere e proprie molecole: positronio molecolare, Ps 2. Quindi puoi studiare come si comporta il gas positronio, quali stati eccitati ha il positronio, ecc. E non pensate che queste siano considerazioni puramente teoriche; Tutti questi effetti sono già stati testati e studiati sperimentalmente.

L’antimateria ha applicazioni pratiche?

Ovviamente. In generale, qualsiasi processo fisico, se ci apre qualche nuovo aspetto del nostro mondo e non richiede costi aggiuntivi, troverà sicuramente applicazioni pratiche. Inoltre, tali applicazioni che noi stessi non avremmo immaginato se non avessimo scoperto e studiato prima il lato scientifico di questo fenomeno.

L'applicazione più conosciuta delle antiparticelle è la PET, la tomografia a emissione di positroni. In generale, la fisica nucleare ha un impressionante track record di applicazioni mediche, e anche qui le antiparticelle non sono inattive. Con la PET, una piccola dose di un farmaco viene iniettata nel corpo del paziente, contenente un isotopo instabile con una vita breve (da minuti a ore) e che decade a causa del decadimento beta positivo. Il farmaco si accumula nei tessuti desiderati, i nuclei decadono ed emettono positroni, che si annichilano nelle vicinanze e producono due quanti gamma di una certa energia. Il rilevatore li registra, determina la direzione e l'ora del loro arrivo e ripristina il luogo in cui si è verificato il decadimento. Ciò consente di costruire una mappa tridimensionale della distribuzione della materia con elevata risoluzione spaziale e con una dose di radiazioni minima.

I positroni possono essere utilizzati anche nella scienza dei materiali, ad esempio, per misurare la porosità di una sostanza. Se la sostanza è continua, i positroni bloccati nella sostanza a una profondità sufficiente si annichilano abbastanza rapidamente ed emettono raggi gamma. Se all'interno della sostanza sono presenti nanopori, l'annichilazione viene ritardata perché il positronio si attacca alla superficie del poro. Misurando questo ritardo è possibile determinare il grado di nanoporosità di una sostanza utilizzando un metodo senza contatto e non distruttivo. Questa tecnica è illustrata da un recente lavoro su come appaiono i nanopori e si chiudono nello strato più sottile di ghiaccio quando il vapore si deposita sulla superficie. Un approccio simile funziona anche quando si studiano i difetti strutturali nei cristalli dei semiconduttori, ad esempio posti vacanti e dislocazioni, e consente di misurare la fatica strutturale del materiale.

Gli antiprotoni possono anche avere applicazioni mediche. Ora allo stesso CERN si sta conducendo l'esperimento ACE, che studia l'effetto di un fascio di antiprotoni sulle cellule viventi. Il suo obiettivo è studiare le prospettive dell'utilizzo degli antiprotoni per la terapia del cancro.

Rilascio di energia di un fascio ionico e di raggi X quando attraversano una sostanza.

Immagine: Johannes Gutleber/CERN

Questa idea può terrorizzare il lettore per abitudine: com'è possibile che un fascio di antiprotoni colpisca una persona vivente?! Sì, ed è molto più sicuro che irradiare un tumore profondo con i raggi X! Un raggio di antiprotoni di energia appositamente selezionata diventa nelle mani di un chirurgo uno strumento efficace con cui è possibile bruciare i tumori in profondità nel corpo e ridurre al minimo l'impatto sui tessuti circostanti. A differenza dei raggi X, che bruciano tutto ciò che cade sotto il raggio, le particelle cariche pesanti nel loro percorso attraverso la materia rilasciano la maggior parte della loro energia negli ultimi centimetri prima di fermarsi. Regolando l'energia delle particelle è possibile variare la profondità alla quale le particelle si fermano; È questa regione, di dimensioni millimetriche, che subirà il principale impatto delle radiazioni.

Questo tipo di radioterapia con fascio di protoni è stato utilizzato da tempo in molte cliniche ben attrezzate in tutto il mondo. Recentemente, alcuni di loro sono passati alla terapia ionica, che utilizza un fascio di ioni carbonio anziché di protoni. Per loro, il profilo di rilascio energetico è ancora più contrastante, il che significa che aumenta l’efficacia della coppia “effetti terapeutici contro effetti collaterali”. Ma da tempo si propone di provare gli antiprotoni a questo scopo. Dopotutto, quando entrano in una sostanza, non solo rinunciano alla loro energia cinetica, ma si annientano anche dopo essersi fermati - e questo aumenta più volte il rilascio di energia. Dove viene depositata questa energia extra è una questione complessa e deve essere studiata attentamente prima dell’avvio degli studi clinici.

Questo è esattamente ciò che fa l’esperimento ACE. In esso, i ricercatori fanno passare un fascio di antiprotoni attraverso una cuvetta contenente una coltura batterica e misurano la loro sopravvivenza in funzione della posizione, dei parametri del fascio e delle caratteristiche fisiche dell'ambiente. Questa raccolta metodica e forse noiosa di dati tecnici è un'importante fase iniziale di qualsiasi nuova tecnologia.

Igor Ivanov

Ecologia della conoscenza: l'antimateria è stata a lungo oggetto di fantascienza. Nel libro e nel film Angeli e demoni, il professor Langdon cerca di salvare il Vaticano da una bomba all'antimateria. L'astronave di Star Trek Enterprise utilizza un motore basato su

L’antimateria è stata a lungo oggetto di fantascienza. Nel libro e nel film Angeli e demoni, il professor Langdon cerca di salvare il Vaticano da una bomba all'antimateria. L'astronave Enterprise di Star Trek utilizza la propulsione annichilante dell'antimateria per viaggiare a una velocità superiore a quella della luce. Ma anche l'antimateria è un oggetto della nostra realtà. Le particelle di antimateria sono virtualmente identiche ai loro partner materiali, tranne per il fatto che trasportano carica e spin opposti. Quando l’antimateria incontra la materia, si annichilano istantaneamente in energia, e questa non è più una finzione.

Sebbene le bombe all’antimateria e le navi alimentate dallo stesso carburante non siano ancora possibilità pratiche, ci sono molti fatti sull’antimateria che ti sorprenderanno o rinfresceranno la tua memoria di ciò che già sapevi.

1. L'antimateria avrebbe dovuto distruggere tutta la materia nell'Universo dopo il Big Bang

Secondo la teoria, il Big Bang ha creato materia e antimateria in uguali quantità. Quando si incontrano, avviene la distruzione reciproca, l'annientamento e rimane solo energia pura. Sulla base di questo, non dovremmo esistere.

Ma esistiamo. E per quanto ne sanno i fisici, questo accade perché per ogni miliardo di coppie materia-antimateria c’era una particella di materia in più. I fisici stanno facendo del loro meglio per spiegare questa asimmetria.

2. L'antimateria è più vicina a te di quanto pensi

Piccole quantità di antimateria piovono costantemente sulla Terra sotto forma di raggi cosmici, particelle energetiche provenienti dallo spazio. Queste particelle di antimateria raggiungono la nostra atmosfera a livelli che vanno da uno a più di cento per metro quadrato. Gli scienziati hanno anche prove che l’antimateria viene creata durante i temporali.

Esistono altre fonti di antimateria più vicine a noi. Le banane, ad esempio, producono antimateria emettendo un positrone, l’equivalente antimateria di un elettrone, circa una volta ogni 75 minuti. Questo perché le banane contengono piccole quantità di potassio-40, un isotopo naturale del potassio. Il decadimento del potassio-40 talvolta produce un positrone.

I nostri corpi contengono anche potassio-40, il che significa che anche noi emettiamo positroni. L'antimateria si annichila istantaneamente al contatto con la materia, quindi queste particelle di antimateria non durano molto a lungo.

3. Le persone sono riuscite a creare pochissima antimateria

L’annientamento dell’antimateria e della materia ha il potenziale per rilasciare enormi quantità di energia. Un grammo di antimateria può produrre un'esplosione delle dimensioni di una bomba nucleare. Tuttavia, l’uomo non ha prodotto molta antimateria, quindi non c’è nulla di cui aver paura.

Tutti gli antiprotoni creati nell’acceleratore di particelle Tevatron del Fermilab misurerebbero a malapena 15 nanogrammi. Il CERN ha prodotto finora solo circa 1 nanogrammo. Nel DESY in Germania non più di 2 nanogrammi di positroni.

Se tutta l’antimateria creata dall’uomo venisse annientata all’istante, la sua energia non basterebbe nemmeno a far bollire una tazza di tè.

Il problema risiede nell’efficienza e nel costo della produzione e dello stoccaggio dell’antimateria. La creazione di 1 grammo di antimateria richiede circa 25 milioni di miliardi di kilowattora di energia e costa oltre un milione di miliardi di dollari. Non sorprende che l'antimateria sia talvolta inclusa nell'elenco delle dieci sostanze più costose del nostro mondo.

4. Esiste una cosa chiamata trappola dell'antimateria

Per studiare l’antimateria è necessario evitare che si annichili con la materia. Gli scienziati hanno trovato diversi modi per farlo.

Le particelle cariche di antimateria, come positroni e antiprotoni, possono essere immagazzinate nelle cosiddette trappole di Penning. Sono come piccoli acceleratori di particelle. Al loro interno le particelle si muovono a spirale mentre i campi magnetici ed elettrici impediscono loro di scontrarsi con le pareti della trappola.

Tuttavia, le trappole di Penning non funzionano per particelle neutre come l'antiidrogeno. Poiché non hanno carica, queste particelle non possono essere confinate dai campi elettrici. Sono trattenuti in trappole Ioffe, che funzionano creando una regione dello spazio in cui il campo magnetico diventa più forte in tutte le direzioni. Le particelle di antimateria rimangono bloccate nella regione con il campo magnetico più debole.

Il campo magnetico terrestre può agire come trappole di antimateria. Gli antiprotoni sono stati trovati in alcune zone intorno alla Terra: le fasce di radiazione di Van Allen.

5. L’antimateria può cadere (letteralmente)

Le particelle di materia e antimateria hanno la stessa massa, ma differiscono in proprietà come la carica elettrica e lo spin. Il Modello Standard prevede che la gravità dovrebbe influenzare equamente la materia e l’antimateria, ma questo resta da vedere con certezza. Esperimenti come AEGIS, ALPHA e GBAR stanno lavorando su questo.

Osservare l'effetto gravitazionale nell'antimateria non è facile come osservare una mela cadere da un albero. Questi esperimenti richiedono di mantenere l’antimateria intrappolata o di rallentarla raffreddandola a temperature appena sopra lo zero assoluto. E poiché la gravità è la più debole delle forze fondamentali, i fisici devono utilizzare particelle di antimateria neutre in questi esperimenti per impedire l’interazione con la forza più potente dell’elettricità.

6. L'antimateria viene studiata nei moderatori di particelle

Hai sentito parlare di acceleratori di particelle e hai sentito parlare di moderatori di particelle? Il CERN ha una macchina chiamata Antiproton Decelerator, che intrappola e rallenta gli antiprotoni in un anello per studiarne le proprietà e il comportamento.

Negli acceleratori di particelle a forma di anello come il Large Hadron Collider, le particelle ricevono una spinta energetica ogni volta che completano un cerchio. I moderatori lavorano in modo opposto: invece di accelerare le particelle, queste vengono spinte nella direzione opposta.

7. I neutrini potrebbero essere le loro stesse antiparticelle

Una particella di materia e il suo partner antimateria portano cariche opposte, il che li rende facili da distinguere. I neutrini, particelle quasi prive di massa che raramente interagiscono con la materia, non hanno carica. Gli scienziati pensano che possano essere particelle di Majorana, un'ipotetica classe di particelle che sono le loro stesse antiparticelle.

Progetti come Majorana Demonstrator e EXO-200 mirano a determinare se i neutrini sono effettivamente particelle di Majorana osservando il comportamento del cosiddetto doppio decadimento beta senza neutrini.

Alcuni nuclei radioattivi decadono simultaneamente, emettendo due elettroni e due neutrini. Se i neutrini fossero le loro stesse antiparticelle, si annichilerebbero dopo un doppio decadimento, lasciando agli scienziati solo gli elettroni da osservare.

La ricerca dei neutrini di Majorana potrebbe aiutare a spiegare perché esiste l’asimmetria materia-antimateria. I fisici suggeriscono che i neutrini di Majorana possono essere pesanti o leggeri. Oggi esistono quelli leggeri, ma quelli pesanti esistevano subito dopo il Big Bang. I neutrini pesanti di Majorana sono decaduti in modo asimmetrico, dando origine alla comparsa di una piccola quantità di materia che ha riempito il nostro Universo.

8. L'antimateria viene utilizzata in medicina

PET, PET (topografia a emissione di positroni) utilizza i positroni per produrre immagini ad alta risoluzione del corpo. Gli isotopi radioattivi che emettono positroni (come quelli presenti nelle banane) si attaccano a sostanze chimiche come il glucosio, che si trovano nel corpo. Vengono iniettati nel flusso sanguigno, dove decadono naturalmente, emettendo positroni. Questi, a loro volta, incontrano gli elettroni del corpo e si annichilano. L'annientamento produce raggi gamma, che vengono utilizzati per costruire immagini.

Gli scienziati del progetto ACE del CERN stanno studiando l'antimateria come potenziale candidato per la cura del cancro. I medici hanno già scoperto che possono dirigere fasci di particelle sui tumori, rilasciando la loro energia solo dopo che sono passati in sicurezza attraverso i tessuti sani. L'uso degli antiprotoni aggiungerà un'ulteriore esplosione di energia. Questa tecnica si è rivelata efficace per il trattamento dei criceti, ma non è stata ancora testata sugli esseri umani.

9. L’antimateria potrebbe essere in agguato nello spazio

Un modo in cui gli scienziati stanno cercando di risolvere il problema dell’asimmetria materia-antimateria è cercando l’antimateria rimasta dal Big Bang.

L'Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) è un rilevatore di particelle situato sulla Stazione Spaziale Internazionale che cerca tali particelle. L'AMS contiene campi magnetici che piegano il percorso delle particelle cosmiche e separano la materia dall'antimateria. I suoi rilevatori devono rilevare e identificare tali particelle mentre passano.

Le collisioni dei raggi cosmici tipicamente producono positroni e antiprotoni, ma la probabilità di creare un atomo di antielio rimane estremamente piccola a causa dell’enorme quantità di energia richiesta per questo processo. Ciò significa che l’osservazione anche di un solo nucleolo di antielio costituirebbe una prova evidente dell’esistenza di enormi quantità di antimateria altrove nell’universo.

10. Le persone stanno attualmente studiando come alimentare i veicoli spaziali con carburante antimateria.

Basta una piccola quantità di antimateria per produrre enormi quantità di energia, rendendola un combustibile popolare per le navi futuristiche della fantascienza.

La propulsione di razzi ad antimateria è ipoteticamente possibile; la limitazione principale è raccogliere abbastanza antimateria perché ciò accada.

Non esiste ancora la tecnologia per produrre in serie o raccogliere antimateria nelle quantità richieste per tali applicazioni. Tuttavia, gli scienziati stanno lavorando per simulare tale movimento e immagazzinamento di questa stessa antimateria. Un giorno, se troveremo un modo per produrre grandi quantità di antimateria, la loro ricerca potrebbe aiutare i viaggi interstellari a diventare realtà. pubblicato

La disponibilità pubblica di informazioni di ogni tipo, l'abbondanza di film di fantascienza, i cui temi sono legati a determinati problemi scientifici o pseudoscientifici, la popolarità di romanzi sensazionali: tutto ciò ha portato alla formazione di un numero considerevole di miti sul nostro mondo. Ad esempio, grazie a numerose teorie che riproducono varianti della Fine del Mondo, il concetto di “antimateria” è diventato ampiamente utilizzato. Nelle opere d'arte e nelle teorie apocalittiche, l'antimateria si riferisce a una certa sostanza le cui proprietà sono opposte alla sostanza, la materia. Una sorta di buco nero che assorbe e distrugge tutto ciò che cade nella sua zona di attrazione. Cos'è l'antimateria, infatti, non bisogna chiederlo agli scrittori, ai registi e a coloro che sono ossessionati dall'aspettativa di un collasso generale, ma agli scienziati.

Le antiparticelle e l'antimateria sono una parte normale dell'universo

Gli scienziati ti diranno che non c'è nulla di terribile o catastrofico nell'antimateria. Se non altro perché è impossibile contrapporre materia e antimateria: quella che comunemente viene chiamata antimateria è in realtà un tipo di sostanza, cioè la materia. Secondo la classificazione scientifica, le particelle di materia sono solitamente chiamate strutture materiali costituite da atomi circondati da particelle elementari. La parte fondamentale di un atomo è il nucleo, che ha una carica positiva, e le particelle elementari che lo circondano hanno carica negativa. Questi sono gli stessi elettroni il cui nome viene utilizzato da noi ogni giorno nella vita di tutti i giorni quando si parla di elettronica ed elettrodomestici.

L'antimateria è costituita da antiparticelle, cioè quelle strutture materiali i cui nuclei hanno una carica negativa e le particelle che le circondano hanno una carica positiva.

Le particelle elementari positive furono scoperte dagli scienziati solo nel 1932 e chiamate positroni. Inoltre, non c'è alcun dramma fatale nell'interazione tra particelle e antiparticelle, materia e antimateria. Si verifica l'annientamento: il processo di trasformazione della materia reattiva e dell'antimateria in particelle fondamentalmente nuove che inizialmente non esistevano e hanno proprietà diverse dalle particelle "madre" originali. È vero, l '"effetto collaterale" può essere piuttosto pericoloso: l'annientamento è accompagnato dal rilascio di un'enorme quantità di energia. Si stima che la reazione di 1 chilogrammo di materia con 1 chilogrammo di antimateria rilascerà un'energia pari a circa 43 megatoni di TNT che esplode. La bomba nucleare più potente esplosa sulla Terra aveva un potenziale di circa 58 megatoni di TNT.

Come ottenere l'antimateria non è una questione di scienza

La realtà dell’antimateria è un fatto provato. Le ipotesi teoriche degli scienziati si combinavano armoniosamente con il quadro scientifico generale del mondo, e quindi le antiparticelle furono scoperte sperimentalmente. Da quasi cinquant'anni le antiparticelle vengono prodotte artificialmente attraverso la reazione di interazione tra particelle e antiparticelle. Nel 1965 fu sintetizzato l'antideutone e 30 anni dopo fu ottenuto l'antiidrogeno (la sua differenza dall'idrogeno “classico” è che l'atomo di antimateria è costituito da un positrone e un antiprotone). Gli scienziati sono andati oltre e nel 2010-2011 sono riusciti a “catturare” gli atomi di antimateria in condizioni di laboratorio. Lasciamo che solo circa 40 atomi si trovino nella “trappola” e siano in grado di trattenerli per 172 millisecondi.

Le prospettive pratiche per lo studio delle antiparticelle sono ovvie, dato l'enorme potenziale energetico dell'interazione tra particelle e antiparticelle.

L'utilizzo dell'antimateria e l'avvio controllato di questo processo eliminano di fatto il problema dell'ottenimento di energia una volta per tutte.

La difficoltà, come sempre, sta nel denaro: i calcoli mostrano che oggi produrre un solo grammo di antimateria costerebbe circa 60mila miliardi di dollari. Quindi per ora le fonti energetiche tradizionali restano rilevanti, ma la ricerca deve essere portata avanti. Inoltre, già a cavallo tra il XX e il XXI secolo, astronomi e astrofisici scoprirono fonti di antimateria nell'Universo. In particolare, sono stati ottenuti dati su flussi reali di particelle elementari caricate positivamente (positroni) che si muovono nello spazio. Sono emerse diverse teorie, più o meno comprovate dalla ricerca pratica, che spiegano i meccanismi di formazione delle antiparticelle in condizioni naturali.

Una spiegazione molto popolare è che le antiparticelle si formano in un forte campo gravitazionale nei buchi neri. Questo campo gravitazionale interagisce con la materia "ordinaria" e, come risultato del processo di "elaborazione" della materia, si ottengono positroni: particelle che, sotto l'influenza della gravità, hanno cambiato la loro carica da negativa a positiva. Un altro concetto riguarda gli elementi radioattivi presenti in natura, i più noti dei quali sono le supernove. Si presume che questi reattori nucleari naturali “producano” antiparticelle come sottoprodotto. Esistono altre versioni: ad esempio, il processo di fusione di due stelle può essere accompagnato dalla formazione di particelle con carica modificata o, al contrario, tale effetto può provocare la morte delle stelle.

Dove trovare l'antimateria: un enigma per i ricercatori

Pertanto, la presenza di antimateria è innegabile. Ma, come di solito accade quando si studiano i segreti dell'Universo, è sorto un problema fondamentale, che la scienza in questa fase del suo sviluppo non è ancora riuscita a risolvere. Secondo il principio di simmetria della struttura dell'Universo , il nostro mondo dovrebbe contenere all'incirca la stessa quantità di materia dell'antimateria, tanti atomi costituiti da un nucleo positivo e particelle caricate negativamente quanti atomi con un nucleo negativo e particelle positive. Ma in pratica, al momento non sono state scoperte tracce di accumuli di antimateria su larga scala (i teorici hanno persino inventato un nome per tali accumuli: "antimondo").

Nelle osservazioni astronomiche l'antimateria viene rilevata abbastanza bene solo grazie alla radiazione gamma emessa. Tuttavia, gli ottimisti non perdono la speranza – e giustamente.

In primo luogo, la Terra potrebbe trovarsi in quella parte “materiale” dell’Universo che è massimamente distante dalla metà “antimateria”. Ciò significa che il punto non sono dispositivi di osservazione sufficientemente potenti e sofisticati. In secondo luogo, in termini di radiazione elettromagnetica, gli oggetti costituiti da materia e antimateria sono indistinguibili, quindi il metodo di osservazione ottica qui è inutile. In terzo luogo, non sono state respinte le teorie di compromesso, ad esempio secondo cui l'Universo ha una struttura cellulare, in cui ogni cellula è composta per metà da materia e per metà da antimateria.

Aleksandr Babitskij