Utilizzando i laser per raffreddare gli atomi di positronio fino a temperature prossime allo zero assoluto, un team di scienziati ha ampliato la nostra comprensione dell’antimateria, gettando potenzialmente luce su misteri cosmologici come la materia mancante nell’Universo.
Atomi di positronio raffreddati e manipolati
La maggior parte degli atomi è composta da protoni caricati positivamente, neutroni neutri ed elettroni caricati negativamente. Il positronio è un atomo esotico composto da un singolo elettrone negativo e da un positrone di antimateria caricato positivamente.
Esso ha una durata naturalmente molto breve, ma i ricercatori, tra cui quelli dell’Università di Tokyo, hanno raffreddato e rallentato con successo campioni di positronio utilizzando laser attentamente sintonizzati, sperando che questa ricerca aiuti altri a esplorare forme esotiche di materia e che possa svelare i segreti dell’antimateria.
C’è un grande mistero che affascina gli scienziati: dove si nasconde metà dell’universo?
Tutto ciò che vediamo, da noi stessi alle stelle più lontane, è fatto di materia. Ma la teoria ci dice che all’inizio dell’universo, materia e antimateria, la sua ‘gemella’ con carica opposta, erano presenti in quantità uguali. Quando esse si incontrano, si annichilano a vicenda, lasciando solo energia. Eppure, oggi l’universo è dominato dalla materia.
Cosa è successo all’antimateria? Questo è uno dei più grandi enigmi della cosmologia moderna.
Il Professore associato Kosuke Yoshioka del Photon Science Center, ha dichiarato: “La fisica moderna tiene conto solo di una parte dell’energia totale dell’universo. Lo studio dell’antimateria potrebbe aiutarci a spiegare questa discrepanza e abbiamo appena compiuto un grande passo in questa direzione con la nostra ultima ricerca”.
E ha aggiunto: “Abbiamo rallentato e raffreddato con successo atomi esotici di positronio, che è composto al 50% da antimateria. Questo significa che per la prima volta può essere esplorato in modi prima impossibili, e ciò includerà necessariamente uno studio più approfondito dell’antimateria”.
Comprendere le proprietà del positronio
Il positronio è un po’ come un atomo di idrogeno, ma con una piccola differenza: al posto del protone, troviamo il positrone, l’antiparticella dell’elettrone. Immagina un atomo di idrogeno, con il suo protone positivo al centro e l’elettrone negativo che gli ruota attorno. Nel positronio, sostituiamo semplicemente il protone con un positrone, creando così un sistema estremamente semplice e simmetrico.
Questo produce un atomo esotico che è elettricamente neutro ma non ha un nucleo grande; invece l’elettrone e il positrone esistono in orbita reciproca, rendendolo un sistema a due corpi. Anche l’idrogeno è un sistema multicorpo, poiché un protone è in realtà tre particelle più piccole, chiamate quark, attaccate insieme. E poiché il positronio è un sistema a due corpi, può essere completamente descritto dalle teorie matematiche e fisiche tradizionali, rendendolo ideale per testare le previsioni con estrema accuratezza.
Yoshioka ha spiegato: “Per ricercatori come noi, coinvolti in quella che viene chiamata spettroscopia di precisione, essere in grado di esaminare le proprietà del positronio raffreddato significa poterle confrontare con calcoli teorici precisi delle sue proprietà”.
E ha aggiunto: “Il positronio è uno dei pochi atomi costituiti interamente da sole due particelle elementari, il che consente calcoli così precisi. L’idea di raffreddare il positronio esiste da circa 30 anni, ma un commento casuale dello studente universitario Kenji Shu, che ora è professore associato nel mio gruppo, mi ha spinto ad accettare la sfida di realizzarla, e alla fine ci siamo riusciti”.
Svolta nel raffreddamento del positronio
Yoshioka e il suo team hanno dovuto superare diverse difficoltà nel tentativo di raffreddare il positronio. Innanzitutto, c’è il problema della sua breve vita: un decimilionesimo di secondo. In secondo luogo, c’è la sua massa estremamente leggera. Essendo così leggero, non è possibile utilizzare una superficie fisica fredda o un’altra sostanza per raffreddarlo, quindi il team ha utilizzato i laser.
Potresti pensare che i laser siano molto caldi, ma in realtà sono solo pacchetti di luce, ed è il modo in cui la luce viene utilizzata a determinare l’impatto fisico che ha su qualcosa. In questo caso, un laser debole e finemente regolato spinge delicatamente contro un atomo di positronio nella direzione opposta al suo movimento, rallentandolo e raffreddandolo nel processo.
Facendo questo ripetutamente e in appena un decimilionesimo di secondo, porzioni di gas positronio si sono raffreddate fino a circa 1 grado sopra lo zero assoluto (-273 gradi Celsius ), la temperatura più fredda che si possa raggiungere. Dato che il gas positronio è a 600 kelvin, o 327 gradi Celsius, prima del raffreddamento, si tratta di un cambiamento piuttosto drastico in un lasso di tempo così breve.
Yoshioka ha affermato: “Le nostre simulazioni al computer basate su modelli teorici suggeriscono che il gas di positronio potrebbe essere persino più freddo di quanto possiamo attualmente misurare nei nostri esperimenti. Questo implica che il nostro esclusivo laser di raffreddamento è molto efficace nel ridurre la temperatura del positronio e i concetti possono auspicabilmente aiutare i ricercatori a studiare altri atomi esotici”.
Lo scienziato ha concluso: “Questo esperimento ha utilizzato un laser in una sola dimensione, e se ne utilizziamo tutte e tre, possiamo misurare le proprietà del positronio in modo ancora più preciso. Questi esperimenti saranno significativi poiché potremmo essere in grado di studiare l’effetto della gravità sull’antimateria. Se essa si comporta in modo diverso dalla materia normale a causa della gravità, potrebbe aiutare a spiegare perché una parte del nostro universo è mancante”.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature.
