Ricavare antimateria dalla luce

Un nuovo studio ha dimostrato come i ricercatori potrebbero essere in grado di creare un getto di antimateria da un fascio di fotoni.

Un team di fisici ha dimostrato che i laser ad alta intensità possono essere utilizzati per generare fotoni gamma in collisione, le lunghezze d’onda della luce più energetiche, per produrre coppie elettrone-positrone.

Questo, dicono, potrebbe aiutarci a capire gli ambienti intorno ad alcuni degli oggetti più estremi dell’Universo: le stelle di neutroni.

Il processo di creazione di una coppia di particelle materia-antimateria – un elettrone e un positrone – dai fotoni è chiamato processo Breit-Wheeler ed è estremamente difficile da ottenere sperimentalmente.

La probabilità che si verifichi quando due fotoni si scontrano è molto piccola. Sono necessari fotoni ad altissima energia, o raggi gamma, e moltissimi di questi, per massimizzare le possibilità di osservazione.

Non abbiamo ancora la capacità di costruire un laser a raggi gamma, quindi il processo Breit-Wheeler fotone-fotone rimane attualmente sperimentalmente non raggiunto. Ma un team di fisici guidato da Yutong He dell’Università della California, San Diego (UC San Diego) ha proposto una nuova soluzione che, secondo le loro simulazioni, potrebbe effettivamente funzionare.

È costituito da un blocco di plastica, scolpito con un motivo a canali incrociati su scala micrometrica. Due potenti laser, uno su ciascun lato del blocco, sparano forti impulsi a questo bersaglio.

“Quando gli impulsi laser penetrano nel campione, ciascuno di essi accelera una nuvola di elettroni estremamente veloci“, ha affermato il fisico Toma Toncian del laboratorio di ricerca Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf in Germania.

“Queste due nuvole di elettroni quindi corrono l’una verso l’altra a tutta forza, interagendo con il laser che si propaga nella direzione opposta“.

La collisione risultante è così energica da produrre una nuvola di fotoni gamma. Questi fotoni gamma dovrebbero scontrarsi tra loro per produrre coppie elettrone-positrone, in accordo con la teoria della relatività generale di Einstein .

Ancora più eccitante, questo processo dovrebbe generare potenti campi magnetici che collimano i positroni (piuttosto che gli elettroni) in fasci a forma di getto fortemente accelerati. I ricercatori hanno scoperto che a una distanza di soli 50 micrometri l’accelerazione dovrebbe aumentare l’energia delle particelle fino a un gigaelettronvolt.

Utilizzando una complessa simulazione al computer, i ricercatori hanno testato il loro modello e hanno scoperto che dovrebbe funzionare, anche quando si utilizzano laser meno potenti rispetto alle proposte precedenti.

Non solo la collimazione e l’accelerazione del fascio di positroni migliorerebbero il tasso di rilevamento delle particelle, ma hanno una forte somiglianza con i potenti getti di particelle collimate emessi da stelle di neutroni fortemente magnetiche e in rapida rotazione note come pulsar.

Gli scienziati ritengono che i processi che avvengono vicino a queste stelle potrebbero provocare nuvole di radiazioni gamma, simili a quelle prodotte dall’esperimento proposto.

“È probabile che tali processi abbiano luogo, tra gli altri, nella magnetosfera delle pulsar“, ha affermato il fisico Alexey Arefiev dell’UC San Diego. “Con il nostro nuovo concetto, tali fenomeni potrebbero essere simulati in laboratorio, almeno in una certa misura, il che ci consentirebbe quindi di comprenderli meglio“.

I test preliminari presso l’impianto laser a raggi X europeo XFEL dovrebbero rivelare se viene generato o meno un campo magnetico, come previsto dalle simulazioni.

In definitiva, il team spera che il loro esperimento possa essere eseguito presso la struttura di fisica nucleare dell’infrastruttura di luce estrema recentemente aperta e altamente avanzata in Romania, che dispone di due potenti laser a breve impulso e fasci di raggi gamma.

Il documento è stato pubblicato su Communications Physics.

L’antimateria

In fisica, l’antimateria è la materia costituita da antiparticelle, corrispondenti per massa alle particelle della materia ordinaria, ma aventi alcuni numeri quantici, come ad esempio la carica elettrica, di segno opposto. Le leggi che governano le combinazioni di antiparticelle a formare gli antielementi (o antiatomi) e le antimolecole sono simmetriche a quelle che governano la materia.

Quando una particella e un’antiparticella vengono a contatto si assiste al fenomeno dell’annichilazione, ovvero si ha la trasformazione della materia coinvolta in radiazione elettromagnetica sotto forma di fotoni ad alta energia (raggi gamma), oppure in altre coppie di particelle-antiparticelle, tali che la somma dell’energia totale, precedente e seguente l’evento, rimanga in ogni caso costante, in accordo al principio di conservazione della massa-energia. In determinate condizioni particelle e antiparticelle possono originare per tempi brevissimi particelle instabili, come i mesoni, o un atomo esotico, come il positronio.

Sebbene si ritenga che in origine materia e antimateria si equivalessero, nell’universo attuale è rilevabile antimateria in quantità esigua, di cui una parte prodotta dagli esperimenti, in tempi brevissimi annichilata dalla materia. La ragione che ha portato alla prevalenza della materia è oggetto di attivo studio.