Nel cuore del cosmo esiste un enigma che ha tormentato gli scienziati per decenni. Ruota attorno a una sostanza misteriosa nota come antimateria. Comprendiamo che ogni particella nell’universo ha un controparte simile ma con una carica opposta, composta da antimateria. Ciò che rende questo mistero ancora più affascinante è che quando le particelle e le loro controparti di antimateria si scontrano, si annientano a vicenda in una spettacolare esplosione di energia.
La nostra attuale comprensione delle leggi della fisica suggerisce che durante la formazione dell’universo, dovrebbe essere stata creata una quantità uguale di materia e antimateria. Se così fosse, avrebbe comportato la completa annichilazione di entrambe, lasciando solo energia pura. Eppure, ci troviamo circondati da un’abbondanza di materia e molto poca antimateria, persino nelle regioni più remote dello spazio. Questo enigma intrigante ha spinto gli scienziati in una grande ricerca per trovare difetti nelle teorie esistenti o scoprire nuove spiegazioni per l’antimateria mancante.
Un percorso di indagine affascinante si è concentrato sull’influenza della gravità sull’antimateria. Potrebbe essere che l’antimateria si comporti in modo diverso sotto l’attrazione gravitazionale, forse muovendosi nella direzione opposta rispetto alla materia normale? In tal caso, ciò potrebbe spiegare perché osserviamo un’abbondanza di materia e una scarsità di antimateria nel nostro universo. È come se fossimo situati in una regione del cosmo in cui l’antimateria rimane nascosta alla nostra vista.
Antimateria: il doppio cosmico
Prima di addentrarci nei misteri gravitazionali dell’antimateria, prendiamoci un momento per capire cosa sia veramente l’antimateria. Ogni particella nell’universo ha la sua controparte di antimateria, che è quasi identica ma con proprietà opposte. Ad esempio, l’elettrone, una particella con carica negativa, ha un gemello di antimateria noto come positrone, che ha una carica positiva. Quando una particella e la sua controparte di antimateria si incontrano, si annientano a vicenda, producendo una intensa esplosione di energia.
Sorge la domanda fondamentale: se l’universo è iniziato con una quantità uguale di materia e antimateria, perché non si è tutto annientato? Per rispondere a questo, dobbiamo esplorare come l’antimateria si comporta in presenza della gravità il tutto è stato pubblicato su un nuovo studio su Nature.
Il fattore gravitazionale
La gravità è una delle forze fondamentali dell’universo, responsabile di governare il moto degli oggetti con massa. Secondo la teoria della relatività generale, formulata da Albert Einstein, il moto degli oggetti in un campo gravitazionale è indipendente dalla loro composizione. Questo principio, noto come “principio di equivalenza debole” sostanzialmente significa che la gravità tratta tutte le forme di materia allo stesso modo, indipendentemente da ciò di cui sono composte.
Sebbene questo principio sia stato testato con grande precisione per la materia normale, non era mai stato testato direttamente sull’antimateria fino a poco tempo fa. La sfida sta nel fatto che la gravità è la forza più debole delle quattro forze fondamentali della natura, rendendo estremamente difficile misurarne gli effetti sull’antimateria con precisione.
L’esperimento ALPHA-g: intrappolando l’antimateria
Il lavoro rivoluzionario che ha gettato luce sul comportamento dell’antimateria in un campo gravitazionale ha avuto luogo nell’esperimento ALPHA-g, situato al CERN, il più grande laboratorio di fisica delle particelle al mondo, in Svizzera. Questo esperimento è stato progettato per indagare gli effetti della gravità sull’antimateria intrappolando l’antidrogeno, un atomo di antimateria unico, in una trappola verticale alta due metri.
La creazione dell’antidrogeno è un processo complesso che coinvolge la combinazione dei suoi costituenti di antimateria: il positrone e l’antiprotone. I positroni possono essere prodotti facilmente utilizzando materiali radioattivi, come il sale da tavola radioattivo. Tuttavia, la generazione di antiprotone freddi, essenziali per questo esperimento, richiede immense acceleratori di particelle e strutture di decelerazione specializzate disponibili al CERN.
Sia i positroni che gli antiprotone sono cariche elettricamente, il che li rende adatti alla trappola e allo stoccaggio in dispositivi speciali chiamati trappole di Penning, che utilizzano campi elettrici e magnetici. Tuttavia, intrappolare interi anti-atomi, come l’antidrogeno, rappresenta una sfida unica.
Per raggiungere questo obiettivo, gli scienziati hanno impiegato una “trappola a bottiglia magnetica” che utilizzava campi magnetici generati da magneti superconduttori per confinare gli anti-atomi. Manipolando le forze relative dei diversi lati della bottiglia, i ricercatori potevano controllare se gli anti-atomi fossero in grado di sfuggire alla trappola sotto l’influenza della gravità.
Svelando la risposta dell’antimateria alla gravità
Il nucleo dell’esperimento ha coinvolto il conteggio di quanti anti-atomi sono fuggiti verso l’alto e verso il basso, rilevando le annichilazioni dell’antimateria che si sono verificate quando questi anti-atomi sono entrati in collisione con le particelle di materia circostanti nella trappola. Confrontando questi risultati con modelli computerizzati dettagliati di processi simili in atomi di idrogeno normali, gli scienziati hanno potuto inferire come la gravità influenzasse gli atomi di antidrogeno.
I risultati rivoluzionari dell’esperimento ALPHA-g rappresentano la prima misurazione diretta del moto dell’antimateria in un campo gravitazionale. Sorprendentemente, queste scoperte hanno rivelato che l’antidrogeno si comporta allo stesso modo dell’idrogeno normale quando è sottoposto alla gravità. In altre parole, cade verso il basso invece di elevarsi, in linea con il “principio di equivalenza debole“.
Smontando il mito dell'”Anti-Gravità”
Forse l’implicazione più intrigante di questa ricerca è la confutazione di teorie storiche che proponevano l’esistenza di “anti-gravità” per l’antimateria. Prima di questo esperimento, alcuni scienziati speculavano che l’antimateria gravitasse esattamente nella direzione opposta alla materia normale, portando alla separazione di materia e antimateria nell’universo. Tuttavia, i risultati dell’esperimento ALPHA-g smentiscono inequivocabilmente questa idea.
La ricerca continua
Sebbene l’esperimento recente abbia fornito importanti intuizioni sul comportamento dell’antimateria in un campo gravitazionale, il mistero più grande dell’asimmetria materia-antimateria nell’universo rimane in gran parte irrisolto. Gli scienziati in vari campi della fisica, dall’astrofisica alla fisica delle particelle ad alta energia, continuano a esplorare diverse vie nella loro ricerca per svelare questo enigma.
Un percorso di esplorazione coinvolge l’indagine di leggere differenze osservate nelle vite di alcune particelle di antimateria rispetto alle loro controparti di materia. Anche se queste differenze sono state rilevate, non forniscono una spiegazione completa per l’osservata disparità.
Un altro aspetto cruciale riguarda le proprietà fisiche dell’antidrogeno, che si prevede siano speculare a quelle dell’idrogeno in termini di proprietà chimiche, colore, energia e comportamento gravitazionale. L’esperimento recente al CERN ha confermato questa aspettativa, rafforzando l’idea che la gravità tratta l’antimateria e la materia allo stesso modo.
Il futuro della ricerca sull’antimateria
Guardando avanti, l’esperimento ALPHA-g e progetti simili mireranno a migliorare la precisione delle loro misurazioni perfezionando vari aspetti dei loro esperimenti, come il design delle trappole e i sistemi di raffreddamento degli atomi. Questi miglioramenti potrebbero potenzialmente svelare nuove intuizioni sul comportamento dell’antimateria e sulla sua relazione con la gravità.
Nel mondo della scienza, le sorprese spesso aspettano dietro l’angolo, e la ricerca per comprendere i misteri dell’universo è un viaggio in corso. La fisica è alla fine uno strumento per descrivere la realtà che osserviamo, e c’è sempre il potenziale per scoperte straordinarie che ridefiniscono la nostra comprensione del cosmo.
Autore
William Bertsche, Università di Manchester
