Utilizzata l’antimateria per replicare un classico esperimento della fisica

Un gruppo di ricercatori italiani ha replicato un esperimento iconico della fisica utilizzando un positrone, la controparte di antimateria di un elettrone, una delle particelle fondamentali.

Non solo hanno ottenuto risultati davvero interessanti, ma questo risultato potrebbe diventare il primo passo verso scoperte potenzialmente rivoluzionarie.

L’esperimento – una versione antimateria del famoso setup a doppia fenditura- è stato condotto da ricercatori provenienti dalla Svizzera e dall’Italia per gettare le basi per una nuova linea di esperimenti super-sensibili che potrebbero aiutare a risolvere un mistero riguardante i due domini dell’Universo.

Le nostre vite quotidiane sono dominate da una forma, che chiamiamo semplicemente materia. Ma ogni membro della serie delle particelle fondamentali ha un gemello di antimateria che condivide la maggior parte delle sue caratteristiche, a parte la carica invertita e alcune altre proprietà quantistiche.

Se si avvicinano i due tipi di materia, essi svaniscono con un’esplosione di energia in un evento, chiamato annichilazione, che solleva alcune domande interessanti. Se siamo circondati da un tipo di materia, vuol dire che ne esiste molta di più dell’antimateria?

Secondo il modello standard della fisica delle particelle, l’antimateria dovrebbe obbedire alle leggi della gravità esattamente nello stesso modo della materia normale.

Una manciata di tentativi sperimentali effettuati per confrontare i due tipi di materia sostengono la teoria. Ciò non impedisce ai fisici di capirne di più: anche una sottile differenza nel modo in cui la gravità influenza l’antimateria potrebbe aprirci la strada a comprendere la differenza tra i due tipi diversi di materia e perché di antimateria ne è rimasta così poca.

La gravità, però, è una forza incredibilmente debole da investigare.

Il che ci porta ad uno degli esperimenti più classici di tutta la fisica, quello che i fisici hanno ora effettuato con una particella di antimateria. Coinvolge due fessure, una particella e un intero mondo di dolore mentale.

Antimateria ed esperimento di Feynman

Abbiamo testato il modo in cui la luce splende attraverso sottili fessure tagliate negli schermi per secoli. Duecento anni fa, un fisico di nome Thomas Young aggiunse una seconda finestra parallela alla prima e dimostrò che il motivo ondulato proiettato dalla luce sulla parete dietro le fessure era un segno che la luce era costituita da onde.

Altri 150 anni dopo, un altro grande nome della fisica, Richard Feynman, considerò l’esperimento della doppia fenditura di Young alla luce di ciò che era stato scoperto sulla materia.

Le particelle come gli elettroni esistono come onde di possibilità finché non vengono misurate e gli vengono conferite le proprietà, compresa la posizione esatta. Quindi, se nessuno misura un elettrone, potrebbe passare attraverso entrambe le fessure come un’onda, dividersi e riformarsi per interferire con sé stesso, proprio come la luce?

Per quanto assurdo possa sembrare, questo è esattamente ciò che accade.

Diversi esperimenti sui flussi di elettroni furono condotti nei decenni successivi all’esperimento di Feynman, ma solo nel 1989 i ricercatori giapponesi di Hitachi riuscirono a sparare elettroni solitari su uno schermo uno per uno.

Da allora, è stata dimostrata la stessa stranezza quantistica per tutti i tipi di particelle pesanti, incluse le molecole intere. Tutti mostrano che frammenti discreti di materia, non importa quanto grandi, hanno comportamenti ondulatori.

L’antimateria è tutta un’altra storia. Non è il materiale più semplice nell’Universo a essere disponibile, quindi, anche se in teoria dovrebbe comportarsi come un’onda, non è mai stato osservato farlo.

Per condurre l’esperimento, i ricercatori hanno utilizzato una struttura in Italia chiamata Laboratorio per l’epitassia della nanostruttura e Spintronica su silicio, o L-NESS.

I positroni – gli elettroni dotati di carica positiva invece che negativa – sono stati filtrati da un materiale radioattivo in decadimento e sono stati trasmessi attraverso un sistema a due gradini chiamato interferometro Talbot-Lau. Questa è una forma leggermente più complessa di uno schermo a reticolo a doppia fessura, ma alla fine equivale alla stessa cosa.

Dopo 200 ore di splendore positronico, i fisici hanno analizzato il modello ondulato per dimostrare che i singoli positroni agiscono come onde quando nessuno guarda, proprio come la materia normale.

Al momento si tratta più di una prova di concetto piuttosto che di una prova definitiva in gradi di permetterci di confrontare la materia e l’antimateria. Ma è un passo eccitante verso un nuovo capitolo della ricerca sull’antimateria. Se i positroni sperimentano anche la più piccola differenza nella delicata attrazione gravitazionale, avremo bisogno di alcuni strumenti abbastanza sensibili per scoprirla.

Un test come questo non garantisce di individuare tali anomalie, ma potrebbe portare a ideare il tipo di esperimenti ultrasensibili di cui abbiamo bisogno. I modelli di interferenza sono ciò che utilizziamo per rilevare la minima oscillazione causata dalle onde gravitazionali, ad esempio.

Il prossimo passo è raccogliere una maggiore quantità di dati che potrebbero aiutarci a spiegare perché c’è qualcosa invece di niente.

Forse ci vorrà del tempo ma capire questa cosa ci permetterà di capire perché siamo qui e perché siamo fatti di materia invece che antimateria.

Lo studio è stato pubblicato su Science.