Il lavoro esclude completamente una presunta “repulsione gravitazionale” come spiegazione dell’assenza pratica di antimateria nell’Universo
Sebbene la maggior parte dei fisici lo sospettasse, nessuno lo aveva visto fino ad ora: l’antimateria risponde alla gravità allo stesso modo della materia. Ciò significa che se lasciassimo cadere l’antimateria, essa si dirigerà verso il basso, esattamente come la materia convenzionale. E no, non cadrà verso l’alto, respinto da una sorta di ‘forza antigravitazionale’. In un esperimento unico, infatti, un team di ricercatori della collaborazione internazionale ALPHA (Antiidrogen Laser Physics Apparatus), presso il laboratorio europeo del CERN in Svizzera, è riuscito a osservare il percorso discendente seguito da una serie di singoli atomi di antiidrogeno e ha fornito, dopo decenni di dubbi, una risposta definitiva: l’antimateria cade. Il lavoro, appena pubblicato su “Nature“, esclude quindi una presunta “repulsione gravitazionale” come spiegazione dell’assenza pratica di antimateria nell’Universo. “Il successo della collaborazione ALPHA“, ha affermato Vyacheslav ‘Slava’ Lukin, direttore del programma della divisione di fisica della National Science Foundation (NSF), “è una testimonianza dell’importanza del lavoro di squadra tra continenti e comunità scientifiche”. Comprendere la natura dell’antimateria può aiutarci non solo a capire come è nato il nostro Universo, ma può anche consentire nuove innovazioni mai ritenute possibili prima, come le scansioni con tomografia a emissione di positroni (PET), che hanno salvato molte vite applicando la nostra conoscenza dell’antimateria per rilevare cellule tumorali e tumori nel corpo. Tutto ciò che ci circonda, da noi stessi ai muri di casa, il terreno su cui camminiamo, la Terra, il Sole e tutte le stelle e le galassie che possiamo vedere, è composto solo da una manciata di particelle, come protoni, neutroni o elettroni che formano atomi di ossigeno, carbonio, ferro o qualsiasi altro elemento della tavola periodica. Tutta quella materia è emersa dal Big Bang 13,76 miliardi di anni fa, ma contemporaneamente, secondo la teoria più diffusa, deve essere emersa un’identica quantità di ‘antimateria’, immagine speculare della materia ordinaria (da non confondere con la materia oscura).
Ma le osservazioni ci mostrano, ostinatamente, un Universo fatto di sola materia. Allora dov’è tutta l’antimateria mancante? Nessuno ha visto, né si aspetta di vedere, interi pianeti o galassie, fatti di antimateria. Anche se “là fuori” l’antimateria dovrebbe essere altrettanto abbondante di quella che vediamo. Materia e antimateria sono esattamente la stessa cosa, tranne per una cosa: le loro cariche elettriche sono opposte. Ciò significa che se un elettrone (materia) ha una carica negativa, la sua corrispondente particella di antimateria, il positrone, avrà una carica positiva. Allo stesso modo, ad ogni protone di materia, con carica positiva, corrisponde un ‘antiprotone’ di antimateria con carica negativa. E lo stesso vale per qualsiasi altra particella. Ma questo aspetto pone un problema. Quando una particella della materia ordinaria (ad esempio un elettrone) incontra la sua antiparticella (un positrone) si annichila in una piccola esplosione di energia. Pertanto, se il Big Bang avesse “prodotto” la stessa quantità dell’uno e dell’altro, sia la materia che l’antimateria avrebbero dovuto essere completamente annientate, lasciando il nulla. Eppure, sfidando la nostra comprensione, ci sono miliardi di galassie e trilioni di stelle e pianeti che compongono il nostro Universo. Tutto fatto di materia e senza la minima traccia di antimateria. Gli scienziati chiamano questo problema “bariogenesi”. Una possibile spiegazione, ora esclusa dal nuovo esperimento, era che l’antimateria fosse stata “respinta” gravitazionalmente dalla materia ordinaria durante il Big Bang. Altri sostengono che, per qualche motivo, durante il Big Bang la simmetria tra materia e antimateria si ruppe, per cui si formò più della prima che della seconda. Se così fosse, l’Universo che vediamo sarebbe la materia “rimanente” rimasta dopo che tutto il resto è stato annientato. ”La teoria della relatività generale di Einstein – spiega il coautore Jonathan Wurtele, fisico del plasma dell’Università della California a Berkeley e membro della collaborazione ALPHA – dice che l’antimateria dovrebbe comportarsi esattamente come la materia. Molte misurazioni indirette indicano che la gravità interagisce con l’antimateria come previsto, ma fino al risultato di oggi nessuno aveva realmente fatto un’osservazione diretta che potesse escludere, ad esempio, che l’antiidrogeno si muova verso l’alto e non verso il basso in un campo gravitazionale”. Per portare a termine il loro esperimento, i ricercatori hanno generato una piccola quantità di antimateria nel loro laboratorio. ”In termini generali – continua Wurtele – stiamo producendo antimateria per fare un esperimento come la Torre pendente di Pisa, (presumibilmente fatto da Galileo nel XVI secolo per dimostrare un’identica accelerazione gravitazionale di due oggetti di volume simile ma massa diversa lanciati contemporaneamente) . “Stiamo lasciando cadere l’antimateria per vedere se sale o scende.” Durante l’esperimento ALPHA, l’antiidrogeno era contenuto all’interno di una camera a vuoto cilindrica con una trappola magnetica variabile, chiamata ALPHA-g. Gli scienziati hanno ridotto l’intensità dei campi magnetici superiori e inferiori della trappola finché gli atomi di antiidrogeno non sono riusciti a fuoriuscire e l’influenza della gravità è diventata evidente. Quando ogni atomo di antiidrogeno sfuggiva alla trappola magnetica, toccava le pareti della camera sopra o sotto la trappola e si annichilava, cosa che gli scienziati potevano rilevare e permettere loro di contarli. I ricercatori hanno ripetuto l’esperimento più di una dozzina di volte, variando l’intensità del campo magnetico nella parte superiore e inferiore della trappola per escludere possibili errori. Hanno osservato che quando i campi magnetici indeboliti erano esattamente bilanciati nella parte superiore e inferiore, circa l’80% degli atomi di antiidrogeno venivano annichilati sotto la trappola, un risultato coerente con il modo in cui si comporterebbe una nube di idrogeno convenzionale nelle stesse condizioni. Era chiaro, quindi, che la gravità provocava la caduta dell’idrogeno. ”Abbiamo escluso – conclude Wurtele – che l’antimateria venga respinta dalla forza gravitazionale anziché attratta. Il che non significa che non ci sia differenza nella forza gravitazionale sull’antimateria, anche se solo una misurazione più precisa lo dirà.” Ora, i ricercatori della collaborazione ALPHA continueranno a studiare la natura dell’antiidrogeno. E oltre a perfezionare la misurazione dell’effetto della gravità, stanno anche studiando come l’antiidrogeno interagisce con la radiazione elettromagnetica utilizzando la spettroscopia. ”Se l’antiidrogeno fosse in qualche modo diverso dall’idrogeno – dice il ricercatore – sarebbe qualcosa di rivoluzionario perché le leggi fisiche, sia della meccanica quantistica che della gravità, dicono che il comportamento dovrebbe essere lo stesso. Tuttavia, non puoi esserne sicuro finché non fai l’esperimento”.
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