Cos’è l’antimateria?

L'antimateria ha importanti applicazioni scientifiche e industriali che potrebbero rivelarsi rivoluzionarie se mai si riuscirà a renderle economicamente convenienti

0
3075

Se sei un fan di Star Trek o di qualche altro universo di fantascienza, hai quasi certamente sentito parlare dell’antimateria, l’incredibilmente volatile ed energico opposto della materia normale, leggendaria per la sua capacità di azionare motori a curvatura o di far saltare in aria astronavi con un solo siluro ben piazzato. Ma cos’è davvero l’antimateria?

Stai tranquillo, è una cosa molto reale, anche se non ce n’è molta in giro. Lungi dall’essere esclusivamente appannaggio della fantascienza, l’antimateria ha importanti applicazioni scientifiche e industriali che potrebbero rivelarsi rivoluzionarie se mai si riuscirà a renderle economicamente convenienti.

Cos’è l’antimateria?

In termini fisici semplici, l’antimateria è l’immagine speculare della materia ordinaria ma con la carica elettrica opposta. Quindi, mentre un elettrone è una particella carica negativamente con una massa atomica quantificabile, un positrone è una particella carica positivamente con la stessa massa atomica di un elettrone.

Sia la materia che l’antimateria possono essere definite dal loro numero barionico o leptonico. Ovunque la materia ordinaria avrà numeri barioni o leptoni positivi, l’antimateria avrà numeri barioni e leptoni negativi.

Ogni particella di materia in fisica è nota o ipotizzata per avere un equivalente antiparticellare, anche i fotoni. I vari quark compongono la materia come la conosciamo e quindi hanno antiquark complementari. Questi si combinano per formare positroni, antiprotoni e antineutroni, che è principalmente ciò di cui ci occupiamo quando parliamo comunemente di antimateria. Esistono anche antiparticelle più elementari come gli antineutrini, mentre alcune particelle sono loro stesse antiparticelle (tipicamente bosoni elementari come i fotoni o l’ipotetico gravitone), che non interagiscono tra loro ma semplicemente si attraversano.

Nel caso di antiparticelle composite neutre come l’antineutrone, la carica netta e la massa saranno le stesse della sua controparte di materia ordinaria, ma queste sono ancora particelle composite costituite da complementi antiquark dei normali quark di neutroni. Quindi, piuttosto che un quark up e due quark down come in un normale neutrone, gli antineutroni saranno invece formati da un antiquark up e due antiquark down, che è una differenza importante tra questi e qualcosa come un fotone.



Poiché le stesse particelle di antimateria sono essenzialmente identiche alle particelle normali con la differenza principale costituita dall’inversione della loro carica, le antiparticelle interagiscono tra loro secondo schemi molto familiari.

Due antiquark up e un antiquark down possono combinarsi per formare un antiprotone con una carica negativa esattamente nello stesso modo in cui due quark up e un quark down formano un protone regolare. Da lì, positroni, antiprotoni e antineutroni possono essere catturati dallo stesso elettromagnetismo che accoppia elettroni, neutroni e protoni per formare atomi, creando un antiatomo.

Sia in teoria che in pratica, non c’è nulla che impedisca all’intera tavola periodica di avere un’intera tavola complementare piena di anti-elementi come antiidrogeno, antielio e antiossigeno. Questo dovrebbe estendersi fino in fondo attraverso l’anti-ferro, l’antioro e persino l’anti-uranio, che dovrebbero essere tutti in grado di formare anticomposti, come antiacqua, antiquarzo e persino anti-proteine.

La parte teorica è molto più semplice, tuttavia, poiché l’antimateria, in pratica, si rivela incredibilmente difficile e costosa sia da produrre che da contenere. Ad oggi, è stato creato solo un numero limitato di atomi di antiidrogeno e i ricercatori sono arrivati ​​​​solo fino a un nucleo di antielio nella tavola periodica degli antielementi.

Cosa succede quando materia e antimateria entrano in contatto?

Se sai qualcosa sull’antimateria, è probabilmente che ha dei problemi con la materia ordinaria.

Ogni volta che la maggior parte delle particelle e le loro antiparticelle entrano in contatto, si annichileranno immediatamente in un’esplosione di fotoni ad alta energia (raggi gamma), secondo la massa combinata delle due particelle usando la formula di equivalenza massa-energia di Albert EinsteinE=mc 2.

Se hai a che fare con antiparticelle più pesanti come protoni e antiprotoni, la collisione può produrre un mix di fotoni ad alta energia, coppie particella-antiparticella più piccole e coppie neutrino-antineutrino, mentre coppie particella-antiparticella elementari più piccole come elettroni e positroni annichilano a livelli elevati – fotoni di energia. L’energia rilasciata in questo processo di annientamento è piuttosto significativa, relativamente parlando, ed è uno dei motivi per cui le collisioni materia-antimateria sono spesso utilizzate nella fantascienza come potenti fonti di energia per alimentare tecnologie avanzate.

L’attrattiva di una tale tecnologia è evidente poiché prendendo una grande massa di idrogeno ordinario e una massa uguale di antiidrogeno e combinandoli si produrrebbe energia effettivamente pura senza quasi nessun spreco a parte i neutrini e coppie più piccole particelle annichilanti-antiparticella, che a loro volta si annichilano in produrre energia aggiuntiva.

Una tale fonte di energia sarebbe quindi ordini di grandezza più efficiente di molte altre fonti di energia teoriche, inclusa la fusione nucleare artificiale controllata (sebbene i rifiuti, in quel caso, sarebbero semplicemente varie quantità di elementi più grandi che potresti ancora fondere insieme fino a quando non rimani con il ferro come sottoprodotto finale).

Il problema con queste interazioni è che sono incredibilmente difficili da controllare. L’universo è quasi interamente costituito da materia ordinaria, quindi, a meno che non si formi nei vuoti più profondi dello spazio intergalattico, l’antimateria si imbatterà molto rapidamente nella materia ordinaria.

E poiché le antiparticelle sono ampiamente superate in numero dalle particelle ordinarie, l’antimateria otterrà sempre l’estremità più corta del bastoncino di annientamento nello scambio. Quindi, prima che qualsiasi tipo di interazione materia-antimateria possa essere sfruttata per l’energia o altri usi, deve essere affrontata la questione della protezione dell’antimateria dall’annientamento prematuro e siamo molto lontani da questo.

Chi ha scoperto l’antimateria?

L’idea di “antimateria” o materia negativa esiste da oltre 100 anni. La teoria cartesiana del vortice della gravità e l’idea successiva che l’etere “schizza” e “affonda” potrebbe rappresentare una forma di materia positiva e negativa che si bilanciano o si annullano a vicenda furono alcuni dei primi (sebbene fuorvianti) tentativi di esprimere questa idea.

L’antimateria, come la conosciamo oggi, è stata formalmente proposta nel 1928 dal fisico teorico britannico Paul Dirac quando ha ipotizzò che l’equazione di Schrödinger, applicata agli elettroni, implicasse l’esistenza di un’antiparticella elettronica con una carica positiva.

Quasi subito, l’idea di una tavola periodica composta da antielementi fu avanzata nel 1929 da un chimico, ingegnere e inventore francese, Charles Janet, e pochi anni dopo, nel 1933, l’antiparticella elettronica di Dirac fu identificata dal fisico americano Carl Anderson, che la chiamò positrone, un’impresa che gli valse il premio Nobel per la fisica nel 1936.

A cosa serve l’antimateria?

Tutto quello che devi sapere sull'antimateria, il permaloso alter ego della materia normale
Uno scanner PET-CT che utilizza il naturale decadimento dei radionuclidi in antimateria per vedere nel corpo umano. | Fonte: Brudersohn/Wikimedia Commons

Nonostante la sua rarità e volatilità, l’antimateria si è effettivamente dimostrata piuttosto utile nelle limitate circostanze in cui siamo stati in grado di utilizzarla.

Uno degli usi più comuni dell’antimateria è la tomografia a emissione di positroni (PET), una forma di imaging utilizzata dai medici per misurare alcuni processi corporei come il flusso sanguigno e la composizione chimica localizzata nei tessuti. Usando un radionuclide come tracciante che si muove attraverso il corpo, il decadimento naturale del nuclide instabile produce positroni naturali che si annichilano nel corpo, producendo raggi gamma che la macchina di imaging PET può rilevare e registrare. Questo tipo di imaging radiofonico è utile per identificare diversi tumori e altri processi biologici che altrimenti sarebbero funzionalmente invisibili a una radiografia o una risonanza magnetica.

L’altro uso notevole dell’antimateria, come fonte di carburante, è molto più speculativo al momento, ma come detto in precedenza, i vantaggi sarebbero troppo grandi per essere ignorati. Oltre alla conversione quasi totale di un combustibile immagazzinato in energia cinetica utilizzabile per la massima efficienza possibile, l’assoluta quantità di energia rilasciata dall’annichilazione materia-antimateria è sostanzialmente maggiore anche delle proiezioni più ottimistiche per la fusione nucleare artificiale controllata.

Secondo un documento prodotto dalla NASA nel 1987, un chilogrammo di materia combinato con un chilogrammo di antimateria produrrebbe 180 petajoule di energia, ovvero circa 43 megatoni di TNT, che è leggermente inferiore all’energia rilasciata dalla Bomba termonucleare Tsar fatta esplodere dall’Unione Sovietica nel 1961, la più grande esplosione artificiale mai prodotta nella storia umana.

Considerando l’incredibile inefficienza anche dei migliori propellenti chimici per razzi di oggi, due chilogrammi di carburante per un viaggio nello spazio sono molto più gestibili per un viaggio sulla Luna rispetto ai quasi 1 milione di galloni di ossigeno liquido e carburante a cherosene usati dal razzo Saturn V della NASA durante ciascuna delle missioni Apollo tra la fine degli anni ’60 e l’inizio degli anni ’70.

In effetti, forse gestibile non è la parola giusta. Non c’è molto rischio che il carburante a base di ossigeno liquido si annichilisca spontaneamente con una massa uguale del serbatoio del carburante che lo contiene, ma ciò non ha impedito alla NASA di esplorare la possibilità di un motore ad antimateria che potrebbe portare gli umani su Giove e tornare dentro meno di un anno.

Naturalmente, non è tutto energia libera e astronavi. I raggi gamma sono incredibilmente potenti e convertire correttamente i raggi gamma in una spinta utilizzabile è un ostacolo ingegneristico significativo, per non parlare del pericolo intrinseco per gli astronauti a bordo di una astronave.

I raggi gamma attraversano qualsiasi tipo di barriera materiale e possono devastare fatalmente i tessuti umani in pochi nanosecondi, uccidendo qualsiasi astronauta alla guida di un mezzo provvisto di un tale motore nello spazio senza una seria schermatura dalle radiazioni. Quindi, anche se dovessimo risolvere il problema del contenimento dell’antimateria, siamo ancora lontani dall’essere in grado di utilizzare effettivamente un tale motore o reattore in sicurezza.

Dove si trova l’antimateria?

E ora veniamo a quello che potrebbe essere il più grande ostacolo di tutti: dove trovare esattamente l’antimateria utilizzabile ?

Le antiparticelle sono prodotte naturalmente negli acceleratori di particelle, ma la quantità di antimateria espulsa durante le collisioni delle particelle è una minuscola frazione di ciò di cui avremmo bisogno per farne un uso efficace. Inoltre, dove vanno le antiparticelle durante quelle collisioni è del tutto casuale, quindi non avremmo idea di dove allestire un collettore di antimateria per catturare le poche particelle che vengono prodotte.

Considerando, poi, la spesa per far funzionare un acceleratore di particelle e la lunghissima lista d’attesa di ricercatori che hanno prenotato il loro tempo, la produzione di antimateria negli acceleratori di particelle non era poi così economica nel 2006, quando la NASA stava studiando un possibile sistema di propulsione a positroni, e sfortunatamente, non è diventato molto più economico nei quasi due decenni successivi.

Una stima approssimativa per produrre i 10 milligrammi di positroni necessari per una missione umana su Marte è di circa 250 milioni di dollari utilizzando una tecnologia attualmente in fase di sviluppo“, ha detto all’epoca Gerald Smith, della Positronics Research LLC a Santa Fe, nel New Mexico .

I razzi chimici sono sostanzialmente più economici oggi rispetto al 2006, grazie in gran parte a SpaceX. Nel 2006, i costi erano circa $ 10.000 per ogni chilo di peso trasportato nello spazio. Ora, SpaceX addebita molto meno di quella cifra per il suo razzo Falcon 9 (circa $ 2.720 per chilogrammo), ma stai ancora parlando di un razzo che pesa circa 333.000 chilogrammi, dove la maggior parte di quel peso è in realtà il carburante necessario per portare tutto in orbita.

Potrebbe essere ancora più costoso in questo momento provare a raccogliere un po’ di antimateria per il carburante, ma probabilmente non rimarrà così per sempre. “Sulla base dell’esperienza con la tecnologia nucleare“, ha detto Smith, “sembra ragionevole aspettarsi che i costi di produzione dei positroni diminuiscano con ulteriori ricerche“.

D’altra parte, potremmo non aver bisogno di farlo da soli. L’antimateria viene prodotta naturalmente durante le collisioni dei raggi cosmici con l’atmosfera terrestre, anche se essendo nell’atmosfera, probabilmente non rimane per più di pochi nanosecondi prima di annientarsi per collisione con le particelle d’aria.

C’è però un’altra possibile fonte: la cintura di radiazione di Van Allen, un anello di particelle cariche attorno alla Terra che sono mantenute in posizione dal campo magnetico terrestre. Il satellite European Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics (PAMELA) ha trovato una fornitura rinnovabile di antiprotoni nella cintura di Van Allen nel 2011.

Certo, ha rilevato solo 28 singoli antiprotoni, ma nel vuoto dello spazio, questo è sostanzialmente più di quanto chiunque si aspettasse e la cintura di Van Allen è molto grande. E poiché gli antiprotoni trasportano una forte carica elettromagnetica, sarebbero più facili da raccogliere e immagazzinare usando il contenimento magnetico (che è l’unico modo per immagazzinare l’antimateria).

Potrebbe non essere molto per andare avanti, ma se 10 milligrammi di positroni potessero essere sufficienti per portarti su Marte e tornare indietro nel corso di un viaggio di tre anni, alla fine avresti bisogno di molti meno antiprotoni effettivi poiché sono molti più pesanti di un positrone, quindi hanno molta più energia potenziale immagazzinata nella loro massa.

I più grandi misteri dell’antimateria

Tutto quello che devi sapere sull'antimateria, il permaloso alter ego della materia normale
L’interno del rivelatore di neutrini Super-Kamiokande dell’Imperial College di Londra. | Fonte: Imperial College London

La scarsità di antimateria nell’universo osservabile è uno dei maggiori problemi irrisolti della fisica ancora oggi. Durante il Big Bang, l’immensa densità ed energia dell’universo nascente avrebbe dovuto produrre una uguale quantità di materia e antimateria, che avrebbero dovuto essere poi immediatamente annientate per produrre un universo pieno di energia ma privo di materia.

Questo ovviamente non è accaduto, e ci deve essere stato uno squilibrio nella quantità di materia rispetto all’antimateria presente durante il Big Bang, o ci deve essere stata una distribuzione non uniforme delle due per produrre l’universo che vediamo. Sembra che la Via Lattea sia composta quasi interamente da materia ordinaria, e gran parte delle altre galassie che possiamo vedere sembrano molto simili. Ci sono galassie di antimateria là fuori che potrebbero non essere rilevabili come tali in modo che l’equilibrio che avremmo dovuto vedere tra le due esiste effettivamente, ma semplicemente non possiamo vederlo?

Questo è possibile, ma ciò non risolve il problema della distribuzione diseguale di materia e antimateria. Quando la materia e l’antimateria furono create mentre l’universo si raffreddava subito dopo il Big Bang, avrebbe dovuto produrre antimateria e materia in modo uniforme dappertutto. Se c’è dell’antimateria da qualche parte nell’universo, invisibile, che bilancia la bilancia in termini di massa, perché è tutta posizionata in modo non uniforme?

Sacche anomale potrebbero essersi sviluppate all’indomani del Big Bang che preferiva un tipo di materia all’altro, ma cosa potrebbe aver causato lo sviluppo di quelle sacche?

Questo alla fine si riduce a una violazione del principio di simmetria CP (simmetria di carica e parità), che dice che le leggi della fisica dovrebbero rimanere le stesse scambiando una particella con la sua antiparticella mentre la sua posizione nello spazio sarebbe invertita.

Ciò significa davvero solo che non avrebbe dovuto fare la differenza dove si trovavano le particelle durante il Big Bang, la fisica è fisica e ci sarebbe dovuta essere una distribuzione uniforme di una quantità uguale di entrambi i tipi di materia, che avrebbe dovuto successivamente annientarsi immediatamente.

Il principio della simmetria CP non è così ferreo come si credeva una volta, tuttavia. Negli ultimi decenni, diverse violazioni CP osservate in diversi tipi di particelle in decomposizione hanno stabilito che il principio di simmetria CP non è sacrosanto come si credeva.

Se può accadere, è una buona scommessa che accadrà, soprattutto considerando la tempistica e l’enorme quantità di massa ed energia che operavano nelle condizioni estreme del Big Bang. Queste minuscole violazioni sono sufficienti per sommarsi a un universo assolutamente dominato dalla materia ordinaria con così poca antimateria?

Semplicemente non è chiaro. Qualunque sia l’origine di questa bariogenesi, come è noto questo predominio sbilenco della materia ordinaria, non sta rinunciando ai suoi segreti alla leggera.

Forse il James Webb Space Telescope vedrà qualcosa nell’universo primordiale che può darci un senso migliore delle cose poco dopo il Big Bang, ma non c’è modo per noi di vedere più indietro nel tempo di circa 370.000 anni dopo il Big Bang.

Fu solo a quell’età che l’universo entrò nell’epoca della reionizzazione, quando la luce delle prime stelle e galassie reionizzava la densa e opaca nebbia di gas che riempiva l’universo e rendeva tutto trasparente. Prima di allora, l’universo esisteva letteralmente in un’era oscura in cui non abbiamo speranza di sbirciare, e quando iniziarono a formarsi le prime stelle e galassie, la battaglia per il predominio nell’universo tra materia e antimateria era quasi certamente già risolta.

Antimateria vs materia oscura

Tutto quello che devi sapere sull'antimateria, il permaloso alter ego della materia normale
L’impressione di questo artista mostra la galassia della Via Lattea. L’alone blu di materiale che circonda la galassia indica la distribuzione prevista della misteriosa materia oscura, introdotta per la prima volta dagli astronomi per spiegare le proprietà di rotazione della galassia e ora è anche un ingrediente essenziale nelle attuali teorie sulla formazione e l’evoluzione delle galassie. | Fonte:  ESO/L. Calçada

Sebbene possano suonare allo stesso modo, antimateria e materia oscura sono due cose molto diverse (pensiamo).

Per cominciare, l’antimateria interagisce elettromagneticamente con l’ambiente circostante. È così che positroni e antiprotoni possono unirsi per formare antiidrogeno; è per questo che l’annichilazione delle coppie particella-antiparticella produce energia elettromagnetica sotto forma di raggi gamma che possiamo rilevare, ed è per questo che esiste persino una distinzione tra materia e antimateria. Un positrone è essenzialmente solo un elettrone con la sua carica elettromagnetica invertita, lo stesso succede con un protone, un muone, ecc. Questo è possibile solo perché l’antimateria è capace di interazioni elettromagnetiche.

La materia oscura, invece, non interagisce elettromagneticamente. Di conseguenza, non possiamo rilevarla e non sembra rispondere con lo stesso tipo di comportamenti indotti elettromagneticamente che vediamo nella materia normale.

In effetti, sappiamo che esiste solo perché ha massa e, come tale, si può vedere la sua influenza gravitazionale. È probabilmente il motivo per cui le galassie a spirale come la Via Lattea e Andromeda sono strutture stabili, anche se la loro massa e la loro velocità angolare dovrebbero produrre forze sufficienti per squarciarle dall’interno verso l’esterno.

Entrambe le forme di materia sono sfuggenti, tuttavia, e ognuna ha il proprio insieme di misteri. Alcuni hanno suggerito che i cosiddetti neutrini e antineutrini “sterili” potrebbero essere possibili candidati per la materia oscura, ma questo è ancora ferocemente dibattuto in questo momento, quindi questa è davvero l’unica connessione (estremamente tenue) che siamo in grado di stabilire tra l’antimateria e la materia oscura in questo momento.

Allora, qual è lo stato dell’antimateria adesso?

Per quanto scienziati e ingegneri desiderino risposte ai misteri dell’antimateria, queste risposte sembrano lontane. Allo stesso modo, la nostra capacità di sfruttare appieno l’incredibile potere di annientamento materia-antimateria sembra ancora molto lontana.

Il potenziale rappresentato dallo sfruttamento dell’antimateria è allettante se non altro, per il semplice fatto che l’antimateria non è solo reale, ma qualcosa che possiamo studiare e conoscere, e persino sfruttare in modo produttivo. Insomma, abbiamo qualcosa su cui lavorare mentre arranchiamo sulla strada verso le risposte definitive.

2