CERN: prodotto primo fascio di atomi di anti-idrogeno
Verificare con sempre maggior precisione le previsioni del Modello Standard e, soprattutto, riuscire a capire come mai nell’Universo domina la materia e non l’antimateria non sembrano più mete così irraggiungibili. Proprio oggi, in un articolo pubblicato sulla rivista Nature Communications, un gruppo di ricercatori del CERN ha annunciato la produzione del primo fascio di atomi di anti-idrogeno (l’equivalente in antimateria dell’idrogeno).
I progressi del CERN nel campo degli esperimenti sull’antimateria ha avuto una forte accelerazione negli ultimi anni. Nel 2011 l’esperimento ALPHA è riuscito a catturare atomi di anti-idrogeno per ben 1000 secondi; l’anno seguente è riuscito ad osservare i processi di transizione tra anti-atomi intrappolati. Nel 2013 l’esperimento ATRAP ha annunciato la prima misurazione diretta del momento magnetico di un antiprotone (con una precisione frazionale di ben 4.4 parti per milione).
Il grande risultato annunciato oggi era dunque nell’aria.
© 2014 CERN
Anzitutto vediamo di chiarire perché gli scienziati si sono messi a produrre proprio l’anti-idrogeno. Con un solo protone accompagnato da un solo elettrone, l’idrogeno è l’atomo più semplice dell’Universo ed è anche uno dei sistemi più studiati e meglio compresi. Per questo motivo, portare a termine una comparazione con la sua antiparticella è uno dei modi migliori per mettere alla prova le nostre teorie sull’antimateria.
Il team dell’esperimento ASACUSA ha annunciato la rilevazione di 80 atomi di anti-idrogeno. Questo fascio è stato fatto emergere dalla trappola magnetica in modo da essere analizzato con un rivelatore posto a 2,7 metri dalla sorgente, un passo avanti notevole verso un’analisi spettroscopica completa dell’antimateria. Vediamo di capire come hanno fatto. Come è noto, il contatto tra materia ed antimateria porta all’annichilimento immediato di entrambe. Questo significa che, oltre alla difficoltà connesse alla realizzazione di un apparato sperimentale in grado di “creare” particelle di anti-idrogeno, gli scienziati devono fare i conti anche con la necessità di far “sopravvivere” l’anti-idrogeno abbastanza a lungo per poter eseguire i loro esperimenti, nonché per raccogliere i dati.
Per farlo, è stato necessario sfruttare le proprietà magnetiche dell’anti-idrogeno (che non sono diverse da quelle dell’idrogeno ordinario) e usare campi magnetici non-uniformi, ma molto potenti, in grado di fungere da vere e proprie trappole a lungo termine per gli anti-atomi. Ciò nonostante, gli intensi campi magnetici rendono le proprietà spettroscopiche degli anti-atomi molto difficili da rilevare: infatti, per ottenere una spettroscopia ad alta risoluzione che fosse sufficientemente pulita, la collaborazione ASACUSA ha sviluppato un set-up sperimentali molto innovativo, che permette di trasferire atomi di anti-idrogeno in una regione dove possono essere studiati “mentre viaggiano liberi dai campi magnetici”.
© 2014 CERN
In che modo? Gli atomi di anti-idrogeno vengono prodotti “mescolando” positroni (anti-elettroni) e antiprotoni a bassa energia prodotti dal Deceleratore Antiprotonico. Secondo le previsioni, lo spettro dell’idrogeno e quello dell’anti-idrogeno dovrebbero essere identici; quindi riuscire a rilevare anche lievissime differenze sarebbe utile per capire meglio i problemi connessi all’assenza di antimateria nell’Universo. Questo apparato consiste di una serie di campi magnetici capaci di miscelare antiprotoni e positroni. Una volta ottenuta questa miscela, è possibile in alcuni casi ottenere un fascio di atomi di antidrogeno che viaggia in un una direzione stabilita a priori – e questo sarebbe impossibile con gli approcci tradizionali.
Il Modello Standard prevede che sia rispettata la simmetria CPT, secondo la quale un processo (o sistema) fisico deve essere spiegabile con le medesime leggi del processo (o sistema) ad esso analogo, ma ottenuto applicando le tre trasformazioni: la coniugazione di carica, la parità e l’inversione temporale. Questa simmetria ha una conseguenza sperimentale importante: lo spettro della radiazione elettromagnetica emessa o assorbita nel passaggio dell’elettrone dell’idrogeno a livelli energetici diversi rispetto a quello di partenza deve essere identica nell’atomo di antidrogeno. Secondo le previsioni, lo spettro dell’idrogeno e quello dell’anti-idrogeno dovrebbero essere identici; quindi rilevare anche delle piccolissime differenze aiuterebbe a risolvere il dilemma legato al dominio della materia nell’Universo.
“Gli atomi di anti-idrogeno non hanno una carica, ed è stata una grande sfida riuscire a trasportarli fino alla trappola. I nostri risultati sono molto promettenti per quanto riguarda gli studi ad alta precisione sugli atomi di anti-idrogeno, in particolare sulla struttura iperfine, che è una delle due proprietà meglio conosciute dello spettro dell’idrogeno. Stiamo aspettando con trepidazione di riprendere gli esperimenti quest’estate, quando avremo un set-up ancora più performante,” ha spiegato Yasunori Yamazaki che lavora all’acceleratore RIKEN in Giappone, strumento fondamentale nella collaborazione ASACUSA. Il prossimo passo per l’esperimento sarà ottimizzare l’intensità e l’energia cinetica dei raggi di anti-idrogeno e cercare di studiarne gli stati quantistici.
