Manipolati atomi di antiidrogeno con un raggio laser

L'esperimento ALPHA è l'erede dell'esperimento ATHENA, designato alla fine del 2005 con obiettivi di ricerca simili a quelli del suo predecessore, ALPHA produce, cattura e studia atomi di antiidrogeno e li confronta con gli atomi di idrogeno

0
768

Per la prima volta è stata effettuata una manipolazione laser di atomi di antiidrogeno. Ad annunciarlo un team di ricercatori e la collaborazione ALPHA del CERN di Ginevra. L’apparato laser, realizzato in Canada, ha raffreddato atomi di antimateria fino quasi allo zero assoluto.

L’esperimento ALPHA è l’erede dell’esperimento ATHENA, designato alla fine del 2005 con obiettivi di ricerca simili a quelli del suo predecessore. ALPHA produce, cattura e studia atomi di antiidrogeno confrontandoli con gli atomi di idrogeno.

La produzione di atomi di antiidrogeno viene ottenuta unendo gli antiprotoni ai positroni, in un dispositivo di cattura per particelle cariche. Poiché gli atomi di antiidrogeno sono neutri, una volta formati non possono essere confinati in un simile dispositivo. 

Nell’esperimento ATHENA, gli atomi di antiidrogeno si spostavano verso le pareti della trappola fatta di normale materia. Il risultato era l’annichilazione completa degli atomi di antimateria pochi microsecondi dopo la loro sintetizzazione.

ALPHA ha proseguito da dove ATHENA aveva interrotto. ALPHA utilizza un diverso metodo per intrappolare gli atomi di antiidrogeno e riesce a imbrigliarli per un periodo ti tempo più lungo prima che si annichiliscano con la materia ordinaria.



Nel giugno 2011, la collaborazione ALPHA ha riferito di essere riuscita a intrappolare gli atomi di antiidrogeno per oltre 16 minuti : un lasso di tempo sufficiente per iniziare a studiarne le proprietà. In questo modo i fisici avranno a disposizione il tempo necessario per effettuare misurazioni in grado di svelare i misteri che ancora avvolgono l’antimateria.

Il risultato dell’esperimento è riassunto in un articolo pubblicato oggi 1 aprile 2021 e presentato sulla copertina della rivista Nature. Le scoperte muteranno in modo significativo il panorama della ricerca sull’antimateria, e faranno compiere un notevole passo in avanti alla prossima generazione di esperimenti.

Cos’è l’antimateria

La fisica quantistica ci ha permesso di dimostrare che tra le particelle esiste una specularità o “simmetria”: per ciascuna di esse ne esiste una simmetrica, con la stessa massa, ma una carica elettrica opposta. L’elettrone ha come antiparticella una particella di carica positiva: il positrone; il protone ha l’antiprotone.

Nel 1928 Paul Dirac ipotizzò l’esistenza dell’antimateria. Molti rimasero perplessi, in quanto si trattava di un concetto troppo rivoluzionario difficile da accettare.

Nel 1932 Carl Anderson, un fisico del California Institute of Technology, riuscì a produrre un’evidenza sperimentale dell’antimateria. La scoperta avvenne nel corso di un esperimento volto a studiare i raggi cosmici, le particelle provenienti dallo spazio che continuamente investono la Terra.

L’esperimento analizzava le tracce lasciate dalle particelle nell’attraversamento di una camera a nebbia. Fra le tante tracce ordinarie, Andersen ne identificò una che corrispondeva al passaggio di una particella con massa uguale all’elettrone ma avente carica elettrica opposta: era il primo segno dell’esistenza dell’antielettrone, oggi chiamato positrone.

Tuttavia la distinzione tra particella e antiparticella è una pura e semplice convenzione. Sono chiamate “particelle” quelle che troviamo nel nostro ambiente fisico. 

Quando una particella e la sua antiparticella si incontrano, si trasformano in radiazione elettromagnetica (raggi gamma), oppure le particelle coinvolte nel processo si trasformano in altre coppie di particelle-antiparticelle, in ogni caso la somma dell’energia totale, precedente e seguente l’evento, rimanga costante, in accordo al principio di conservazione della massa-energia.

Esperimenti con atomi di antiidrogeno

“I risultati di oggi sono il culmine di un programma di ricerca e ingegneria di un anno, condotto presso l’UBC ma supportato da partner di tutto il paese”, ha affermato Takamasa Momose, ricercatore dell’Università della British Columbia (UBC) con il team canadese di ALPHA (ALPHA – Canada) che ha guidato lo sviluppo del laser. 

“Con questa tecnica, possiamo affrontare misteri di vecchia data come:” Come risponde l’antimateria alla gravità? Può l’antimateria aiutarci a comprendere le simmetrie in fisica? “. Queste risposte possono alterare fondamentalmente la nostra comprensione del nostro universo”.

La manipolazione laser per e il raffreddamento degli atomi di materia ordinaria, introdotta 40 anni fa, hanno rivoluzionato la fisica atomica moderna e permesso di effettuare diversi esperimenti che hanno portato a diversi premi Nobel. I risultati pubblicati su Nature sono il primo esempio di scienziati che applicano queste tecniche agli atomi di antiidrogeno.

Usando le tecniche per portare a temperature estremamente basse gli atomi di antiidrogeno, i ricercatori possono eseguire una serie di test di precisione per indagare ulteriormente le caratteristiche dell’antimateria, test che comprendono esperimenti che potrebbero far luce sulle simmetrie fondamentali del nostro universo.

I vari test potrebbero darci nuovi indizi sul motivo per cui l’Universo è composto principalmente da materia e non da parti uguali di materia / antimateria come previsto dal modello standard.

“E ‘stato un sogno un po’ folle manipolare l’antimateria con il laser”, ha detto Makoto Fujiwara, portavoce di ALPHA-Canada, scienziato TRIUMF e il sostenitore dell’idea del raffreddamento mediante fasci laser. “Sono entusiasta del fatto che il nostro sogno si sia finalmente avverato grazie all’eccezionale lavoro di squadra di scienziati canadesi e internazionali”.

La manipolazione laser degli atomi di antiidrogeno aprono a una varietà di innovazioni fisiche all’avanguardia. Momose e Fujiwara sono impegnati in un nuovo progetto canadese, denominato HAICU, per sviluppare nuove tecniche quantistiche per gli studi sull’antimateria. 

“Il mio prossimo sogno è quello di creare una fontana di atomi di antiidrogeno utilizzando l’antimateria raffreddata dal laser. Se realizzato, un sistema simile consentirebbe una classe completamente nuova di misurazioni quantistiche che prima erano impensabili”, ha detto Fujiwara. I ricercatori mirano alla possibilità di produrre le prime molecole di antimateria unendo gli anti-atomi utilizzando la a tecnologia di manipolazione laser.

I risultati sono un punto di svolta per il programma di ricerca sull’antimateria della collaborazione ALPHA, iniziato con la creazione e cattura di atomi di antiidrogeno che ha portato al record mondiale di mille secondi nel 2011.

La collaborazione ha inoltre fotografato per la prima volta in assoluto lo spettro dell’antiidrogeno nel 2012, ha impostato delle guide che limitano l’effetto della gravità sull’antimateria nel 2013 e ha evidenziato la controparte di antimateria per un fenomeno spettroscopico fondamentale nel 2020.

2