Uno dei grandi misteri della fisica è stato risolto: come cade l’antimateria?
Non è una domanda che tiene sveglia la maggior parte delle persone la notte, ma alcuni fisici aspettano la sua risposta da anni.
Scienziati del CERN, il più grande acceleratore di particelle del mondo in Svizzera, ha annunciato mercoledì che un esperimento innovativo ha confermato che l’antimateria cade a causa della gravità, proprio come qualsiasi altra cosa. Ma ciò lascia solo gli scienziati a porsi ulteriori domande su questo curioso materiale.
Cos’è l’antimateria?
In Star Trek, l’antimateria ha alimentato il motore a curvatura dell’astronave Enterprise nel 23° secolo (ed è stata utilizzata in alcuni dei suoi siluri). È una premessa allettante, basata su un fenomeno reale.
Nel 1928, il matematico britannico Paul Dirac vide l’antimateria in un’equazione matematica. Stava elaborando alcuni aspetti della meccanica quantistica quando si rese conto che un elettrone, una delle particelle fondamentali dell’universo, poteva essere il suo opposto.
In altre parole, potrebbero esserci elettroni negativi (materia) ed elettroni positivi – o positroni (antimateria). In realtà non si trattava solo di una possibilità: Dirac concluse che l’antimateria doveva esserci. I conti erano chiari, anche se la particella non era stata ancora osservata. (L’equazione di Dirac è incisa sulla sua tomba)
Fino a quando, appena due anni dopo, fu scoperta l’antimateria in natura nelle scie dei raggi cosmici rilevate durante una missione in mongolfiera. Da allora è stato studiato.
Oggi i medici utilizzano le antiparticelle in medicina: nelle macchine per la scansione PET che esaminano attraverso la nostra pelle la presenza di tumori o di funzioni cardiache. Questi producono una parte di antimateria – la P sta per Positrone – ma non l’intero antiatomo.
Non è una brutta cosa che non sia possibile trovare antiatomi interi, perché quando l’antimateria incontra la materia normale – la sostanza che costituisce noi e il mondo che ci circonda – i due esplodono con il rilascio di energia più potente di cui gli scienziati conoscono. L’esplosione è così carica di energia che la NASA ha studiato l’utilizzo di esplosioni di antimateria e di materia per spingere le astronavi a coprire enormi distanze (i progetti rimangono puramente teorici).
Mancante in natura
Ma è proprio la mancanza di antimateria che rimane uno dei grandi misteri irrisolti della fisica: se il modello standard della fisica è corretto, in quei primi momenti caldi dopo il Big Bang sarebbe dovuta apparire la stessa quantità di antimateria che di materia.
I due opposti, se creati in egual misura, si sarebbero scontrati, annientandosi a vicenda quasi all’istante, lasciando solo un cielo bianco pieno di irta energia e nessuna materia residua.
Eppure eccoci qui, 14 miliardi di anni dopo, fatti di materia. Dopo Dirac, i fisici si sono grattati la testa, chiedendosi dove sia finita l’antimateria, o se fosse mai stata lì fin dall’inizio?
Ma c’è dell’antimateria proprio qui sulla Terra: è stata prodotta, in campioni infinitesimi, con costi incredibili, al CERN. Per oltre un decennio, gli scienziati hanno assemblato “atomi” di antimateria pezzo per pezzo e li hanno intrappolati in bottiglie magnetiche hi-tech.
Vogliono sapere come funzionano, perché non si trovano in natura e perché l’universo sembra aver “scelto” la materia che conosciamo.
Ma soprattutto volevano lasciarlo cadere, per vedere se cadeva verso l’alto. Perché se lo avesse fatto, avrebbe gettato la fisica in una crisi totale. La gravità avrebbe avuto una scappatoia.
La prova di gravità
Sapere come cadono gli oggetti ha sempre affascinato gli scienziati perché è così che gli esseri umani possono vedere in gioco una legge fondamentale e invisibile della natura.
L’esperimento ALPHA al CERN ha prodotto solo una piccola quantità, un centinaio di milionesimi di grammo di antiidrogeno, in modo che i fisici possano eseguire esperimenti di base su di esso. Hanno usato il famoso acceleratore di particelle del CERN per generare antiprotoni. Hanno usato isotopi radioattivi per produrre positroni, in modo simile a come vengono realizzati per le scansioni PET.
Poi, hanno imparato come combinarli in “atomi” di antimateria, intrappolarli nei campi magnetici, rallentarli, trattenerli in modo che non si annichiliscano ai bordi dei loro contenitori e infine posizionare quei contenitori in posizione verticale, anziché orizzontale, per testare come reagiscono alla gravità. Ciascuno di questi passaggi ha richiesto anni, nuovi calcoli, finanziamenti costanti e soluzioni ingegneristiche ingegnose.
“Vogliamo verificare che ogni proprietà che sappiamo abbia la materia, l’antimateria o forse no”, ha spiegato Rebecca Suarez, fisica sperimentale dell’Università di Uppsala in Svezia, non coinvolta nel progetto. “Perché ogni piccolo dettaglio potrebbe spiegare cosa è successo con l’antimateria”.
La maggior parte dei fisici riteneva che l’antimateria non sarebbe “caduta” verso l’alto, ma non potevano dirlo finché non fosse stato dimostrato.
Patrice Perez, portavoce di un esperimento sull’antimateria del CERN chiamato GBAR, ha provato a riassumere il problema in un’intervista ad Oltre La Linea a luglio. Se l’antimateria cadesse verso l’alto, in direzione opposta alla gravità, disse, “una delle pietre angolari dell’ [Albert Einstein’s theory of] Sarebbe sbagliato la relatività generale, il principio di equivalenza [which says] se lasci cadere un oggetto sulla terra, dovrebbe cadere alla stessa velocità.
“Se trovassimo qualcosa di diverso, sarebbe una rivoluzione completa. Non sapremmo cosa fare… Significherebbe che non capiamo la fisica, non capiamo affatto la natura”.
Perez ha lavorato per decenni su esperimenti per catturare e stabilizzare l’antimateria in laboratori di fisica seri e seri, ma la domanda se potesse cadere verso l’alto, o se potesse essere carburante per astronavi, lo faceva ridere.
In breve, ha detto riguardo alla caduta dell’antigravità, “nessuno ci crede”.
Dopo quasi due decenni di lavoro, gli scienziati che hanno condotto l’esperimento hanno inserito alcune dozzine di “atomi” di antimateria in un tubo verticale hi-tech per verificare la domanda.
Il risultato? Cadde dall’alto verso il centro della terra, proprio come una palla.
Jeffrey Hangst è un fisico e portavoce dell’esperimento ALPHA. Annunciando il risultato, ha tenuto in mano due mele, una rossa per la materia, l’altra nera per l’antimateria, come aiuto visivo (la mela nera non era fatta di antimateria; se lo fosse stata, l’esplosione nella sua mano avrebbe distrutto parte della Svizzera e Francia).
“Per quanto ne sappiamo, cadono allo stesso modo della materia normale”, disse felicemente.
La fisica è stata salvata dalla crisi, per ora. I fisici possono tornare ai tavoli da disegno, per sondare i misteri dell’universo e continuare a chiedersi perché non ha prodotto antimateria.
