Scoperto anti-elio nell’ esperimento STAR

Anti-elio. Circa la stessa quantità di materia e antimateria sono stati creati nella collisione di nuclei d'oro ad alta energia nell'esperimento STAR, ma poiché la sfera della collisione si espande e si raffredda velocemente, l'antimateria può sopravvivere più a lungo di quella che si è formata durante il big bang. Nell'immagine una rappresentazione artistica di un ordinario elio-4 (nello sfondo) e di un nucleo di anti-elio. Crediti: STAR Collaboration e Lawrence Berkeley National Laboratory

Per la prima volta nella storia della Fisica sono stati osservati nuclei di anti-elio, che diventa la particella più pesante mai osservata di anti-materia.

Ben diciotto esempi di nuclei di antielio-4, infatti, sono stati scoperti nell’esperimento STAR presso il RHIC, il Relativistic Heavy Ion Collider del Brookhaven National Laboratory negli Stati Uniti.

“L’esperimento STAR è l’unico in grado di trovare antielio-4”, dice il portavoce dell’esperimento STAR, Nu Xu, presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

“Per identificare i 18 esempi avviamo dovuto osservare tra i ‘resti’ di ben un miliardo di collisioni tra particelle di oro.”

Le collisioni di nuclei d’oro energetico all’interno di STAR ricreano brevemente le condizioni del caldo e denso Universo nei primi milionesimi di secondo dopo il Big Bang. Dal momento che la stessa quantità di materia e antimateria devono essere state create nel Big Bang, esse avrebbero dovuto completamente annientarsi a vicenda.

Ma per ragioni ancora sconosciute ai fisici, solo la materia ordinaria sembra essere sopravvissuta. Oggi la materia forma tutto l’Universo visibile, compresi noi stessi.

Una quantità approssimativamente uguale di materia e antimateria è stata prodotta anche nelle collisioni di ioni pesanti (nuclei d’oro) nel RHIC. Le collisioni generano particelle che si espandono e si raffreddano rapidamente, per cui l’antimateria può evitare l’annientamento con la materia ordinaria abbastanza a lungo da essere rilevata dai rilevatori al centro dell’esperimento STAR.

I nuclei di atomi di elio ordinario sono costituiti da due protoni e due neutroni. Chiamate particelle alfa quando emesse nei decadimenti radioattivi, questi atomi sono stati trovati per la prima volta come frutto di un decadimento da Ernest Rutherford ben più di un secolo fa. Il nucleo di antielio-4 (quindi una particella anti-alfa) contiene due antiprotoni legati a due antineutroni.

Le più comuni antiparticelle generate negli acceleratori sono generalmente meno massiccie, perché ci vuole meno energia per crearle. Carl Anderson è stato il primo a trovare una antiparticella, l’antielettrone (positrone), nei resti dei raggi cosmici nel lontano 1932. L’antiprotone (il nucleo di antidrogeno) e l’antineutrone sono stati creati presso il Bevatron Berkeley Lab nel 1950. Il nucleo di antideuterio (“anti-idrogeno pesante”, costituito da un antiprotone e un antineutrone) è stato creato negli acceleratori di Brookhaven e al CERN nel 1960.

Ogni nucleone extra (chiamato barione) aumenta il numero barionico della particella, e nelle collisioni presso l’esperimento STAR ogni aumento del numero barionico diminuisce il tasso di rendimento di circa un migliaio di volte. I nuclei dell’isotopo di anti-elio con un solo neutrone (antielio-3) sono stati ottenuti negli acceleratori già dal 1970, e l’esperimento STAR produce molte di queste antiparticelle, con il numero barionico 3. Il nucleo di antielio con numero barionico 4, invece, è stato annunciato oggi da STAR, che può documentare 16 esempi (identificati nel 2010) e altri 2 esempi scoperti in un ciclo precedente.

“E’ probabile che l’anti-elio manterrà il record di più pesante antiparticella mai osservata in un acceleratore per un po’ di tempo”, ha detto un membro dell’esperimento, Xiangming Sole del Berkeley Lab. “Dopo il nucleo di anti-elio, viene l’anti-litio, e il tasso di produzione per questa ipotetica particella in un acceleratore dovrebbe essere ben più di due milioni di volte inferiore a quella dell’anti-elio”.

Maxim Naglis aggiunge: “Anche un solo esempio di anti-litio sarebbe un enorme colpo di fortuna, e richiederebbe probabilmente una svolta nella tecnologia degli acceleratori.”

Ma se l’anti-elio prodotto negli acceleratori è raro, e se particelle più pesanti sono ancora più rare, perché non cercare queste particelle nello spazio? L’Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), programmato per essere lanciato sulla prossima missione dello Shuttle Endeavour tra qualche giorno e che verrà istallato sulla Stazione Spaziale Internazionale, è uno strumento destinato a fare proprio questo. Una parte principale della sua missione è proprio dar la caccia a galassie lontane fatte interamente di antimateria. E la scoperta di queste galassie spiegherebbe molte cose ai fisici.

“Le collisioni tra raggi cosmici nei pressi della Terra sono in grado di produrre particelle di antimateria, ma le probabilità che queste collisioni producano un nucleo intatto di antielio sono così infinitamente piccole che trovare anche una sola di queste particelle suggerirebbe fortemente che essa è alla deriva da una regione lontana dell’Universo costituita da sola antimateria”, spiega Hans Georg Ritter dei Berkeley Labs.

Non c’è modo di capire se le lontanissime galassie che osserviamo coi nostri telescopi siano costituite di materia o antimateria. Ma potremmo dedurre se c’è una probabilità che siano costituite da antimateria in base agli anti-atomi che inevitabilmente dovrebbero perdersi e vagare nello spazio vuoto. “L’antimateria non ha un aspetto diverso dalla materia ordinaria, ma se l’AMS trovasse anche un solo nucleo di anti-elio, questo significherebbe che alcune delle galassie che vediamo sono galassie di antimateria.”