Cinquantamila.it La storia raccontata da Giorgio Dell'Arti

L’antimateria è diventata realtà. Il Cern (Centro Europeo per la Ricerca Nucleare) di Ginevra, in Svizzera, ha realizzato un’impresa cullata da oltre 70 anni: il 16 settembre un gruppo di 39 fisici provenienti da 9 nazioni è riuscito a produrre 50.000 atomi di antiidrogeno, il più semplice anti-atomo possibile. Una fotocopia al negativo dell’atomo di idrogeno: un protone di carica negativa invece che positiva, intorno a cui orbita una particella, il positrone, identica all’elettrone ma con carica positiva. Cinquantamila antiatomi, neanche un miliardesimo di grammo di antimateria sopravvissuto solo per un brevissimo istante. Sufficiente, però, a rivoluzionare il mondo della fisica. Racconta Marco Amoretti, uno dei ben 14 italiani impegnati nel progetto e ricercatore dell’Infn, l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare: «Il nostro esperimento è riuscito a dimostrare che è possibile produrre antimateria in quantità e condizioni tali da poterne studiare le proprietà». IMMOBILIZZATI SOTTO ZERO L’arma vincente dell’esperimento, chiamato Athena, è stata l’idea di decelerare antiprotoni e positroni, come congelandoli a una temperatura bassissima (vicina alla più bassa temperatura possibile, -273°C). Mescolandoli, si è riusciti a produrre antiatomi in quantità e praticamente immobili. Una vera rivoluzione: prima di oggi, infatti, atomi di antidrogeno erano già apparsi nei laboratori. Ma le poche antiparticelle prodotte viaggiavano troppo veloci – quasi alla velocità della luce – per poter essere studiate. Ma cos’è, e perché è così importante l’antimateria? Si può vedere come una specie di fotografia al negativo della materia ordinaria, quella di cui siamo fatti tutti noi. La teoria dice che per ogni particella nota, esiste un’anti-particella con stessa massa e stesse proprietà, ma di carica opposta. Unico particolare: l’antimateria non sopravvive nel nostro mondo, scomparendo in un’esplosione di energia appena entra in contatto con la materia. A dire il vero, a livello teorico, l’antimateria esiste da tempo. Già nel 1928, l’inglese Paul Dirac scrisse una serie di equazioni teoriche in cui comparve per la prima volta un elettrone di carica positiva. Da concetto teorico, l’antimateria divenne realtà negli anni ’50, quando si fu in grado di ricreare in laboratorio delle antiparticelle. Fino ad arrivare, oggi, al primo vero antiatomo che possa essere studiato praticamente. DA STAR TREK ALLA MEDICINA Dell’antimateria affascinano soprattutto le applicazioni fantascientifiche: come i motori delle navicelle spaziali di Star Trek, alimentati dall’esplosione che avviene mettendo a contatto materia e antimateria. Un progetto che la Nasa sta prendendo in seria considerazione. Nel frattempo, l’antimateria è sfruttata in campo diagnostico, con la Pet, la tomografia ad emissione di positroni, utilizzata per studiare il cervello. Lo scenario delle applicazioni è sconfinato, anche se la tecnologia non è ancora in grado di padroneggiare l’antimateria. Eppure, già da oggi, l’esperimento Athena, continua Amoretti «può aiutarci a verificare le nostre conoscenze delle leggi fisiche». La teoria dice che, appena dopo il Big Bang da cui si originò l’universo, doveva esserci un’uguale quantità di particelle e antiparticelle. Ma perché oggi, nel cosmo, non si trova traccia di questa antimateria primordiale? L’arcano potrebbe essere svelato soltanto scoprendo in quale modo la materia riesce a sopraffare l’antimateria. Aggiunge Amoretti: «Sarà come guardare l’immagine del nostro mondo attraverso uno specchio: se scopriremo che l’immagine è diversa da quello che dovrebbe riflettere, dovremo rivedere gran parte della descrizione fisica che abbiamo del mondo». Per far questo, i fisici devono utilizzare acceleratori sempre più potenti: strumenti che prendono una particella, la accelerano grazie a campi elettromagnetici, e la scagliano contro un bersaglio (un atomo), producendo nell’urto nuove particelle (vedi box a pag.118). Più la particella-pallottola è veloce (e dunque energetica), più a fondo essa può penetrare nella struttura atomica, producendo oggetti sempre più piccoli. è come se volessimo vedere le rotelline e gli ingranaggi di un orologio (l’atomo): lanciandolo contro un muro è possibile romperlo in pezzi per vedere cosa contiene. Più lo lanciamo forte, più i pezzi che lo compongono sono piccoli. SONO 200 LE PARTICELLE NOTE Oggi, grazie agli acceleratori, sono circa 200 le particelle note: non sono tutte fondamentali, cioè oggetti indivisibili che compongono la materia. Al contrario: gli acceleratori permettono non solo di guardare dentro l’atomo, ma anche di dar vita a nuove particelle pesanti, che non esistono spontaneamente. E pertanto hanno vita breve. A parte i ben noti protoni, neutroni e elettroni, tutte le altre particelle così create si dicono instabili: appena nate scompaiono in reazioni spontanee da cui nascono particelle più comuni. Ma com’è possibile, negli acceleratori, creare questi oggetti più grandi e pesanti facendo urtare particelle più piccole? è sempre una questione di energia: come dice la famosa equazione di Albert Einstein (E=mc2), energia e massa sono la stessa cosa. Almeno ad altissime velocità. Accelerando quindi le particelle a sufficienza è possibile trasformare la loro energia in massa, creando nuovi oggetti. Ma cerchiamo di capire come è veramente composta la materia e quali sono le particelle elementari che si vogliono far affiorare negli acceleratori. Storicamente, tutto ha inizio dall’atomo: come indica l’originario nome greco, che significa «indivisibile», esso fu considerato a lungo il più piccolo costituente della materia. Almeno fino al 1897, quando il fisico inglese Joseph John Thomson scoprì l’elettrone con il primo e più semplice acceleratore immaginabile: un prototipo del tubo catodico delle odierne Tv. Dopo la scoperta dell’elettrone si scatenò la caccia alle particelle positive che l’atomo doveva contenere per controbilanciare la carica negativa dell’elettrone. UN SISTEMA SOLARE IN MINIATURA Nel 1914 il fisico inglese Ernest Rutherford svela la struttura interna dell’atomo inteso come un sistema solare in miniatura: gli elettroni, con carica negativa, orbitano intorno al nucleo, carico positivamente. Quest’ultimo è minuscolo (diecimila volte più piccolo dell’atomo stesso) ma contiene oltre il 99,9% della massa. Solo successivamente si scoprirà che il nucleo, a sua volta, è formato da protoni e neutroni. Da allora gli esperimenti si moltiplicano e già negli anni ’60 si conoscono molte dozzine di particelle, che si dividono in due famiglie teoriche: i mesoni e barioni. A questo punto, avviene una nuova rivoluzione. L’americano Murray Gell-Mann ipotizza che tutte queste particelle sarebbero composte da qualcosa di ancora più piccolo. Compaiono così nuove entità minuscole e indivisibili, i quark. Sono 6 e portano nomi alquanto strani. Si dice, in gergo, che sono 6 differenti «sapori», cioè 6 diverse varietà di quark: Up, Down, Strange, Charm, Beauty e infine il Top, osservato solo nel 1995. Per avere un’idea delle dimensioni: se disegnassimo protoni e neutroni con il diametro di un centimetro, allora i quark dovrebbero essere più piccoli di un capello e l’intero atomo sarebbe più lungo di 30 campi da calcio. Questo groviglio di particelle elementari (e delle forze che le tengono insieme) sono oggi riassunte in un’unica teoria: il ”Modello Standard”. Secondo questo Modello, l’universo è formato da 12 particelle elementari che compongono tutta la materia. Le prime 6 sono i piccolissimi quark. A loro si aggiungono altre sei particelle elementari, chiamate leptoni: l’elettrone; due altre particelle simili ma più pesanti e instabili (il muone e il tau) e tre neutrini, particelle di massa praticamente nulla create in grande quantità all’interno delle stelle. A queste dodici particelle si affiancano le relative antiparticelle, equivalenti, ma di carica opposta. Le caratteristiche di questo sistema di particelle-antiparticelle sono interessanti. A parte la carica elettrica e la massa, ogni quark può presentare 3 diversi colori (trasporta una diversa «carica di colore»): rosso, verde e blu (e antirosso, antiverde e antiblu per le relative antiparticelle). Questo non vuol dire che le particelle siano veramente rosse, verdi o blu come si intende comunemente. I colori sono solo delle etichette di comodo che permettono di ricordare facilmente come si combinano tra loro quark e antiquark per formare le altre particelle. Basta infatti ricordare che le combinazioni possibili sono tutte e solo quelle che danno luogo al bianco: sono dunque possibili doppietti colore-anticolore (danno vita ai mesoni) oppure tripletti che contengano i tre colori rosso, blu e verde (in questo caso si formano i barioni). Un’altra interessante proprietà di quark e leptoni è lo spin, che può essere immaginata come la proprietà delle particelle di ruotare come piccole trottole intorno a un asse. Ma torniamo al Modello Standard: se le 12 particelle sono i mattoni che costruiscono l’universo, qual è il cemento che li tiene insieme? LA PARTICELLA DI DIO La teoria dice che sono 4 le forze fondamentali: la prima è l’interazione elettromagnetica, che tiene l’elettrone attaccato al nucleo. L’interazione debole, invece, regola il modo in cui le particelle fondamentali si trasformano l’una nell’altra. La terza forza teorizzata dal Modello è l’interazione forte, che tiene insieme il nucleo degli atomi legando i quark tra loro. La quarta e ultima interazione presente nel nostro mondo, è la forza gravitazionale, più vicina delle altre all’esperienza quotidiana ma ancora non integrata nel modello teorico. Ciascuna di queste forze può essere pensata come trasportata da particelle immateriali e impalpabili: i fotoni (la luce) per il campo elettromagnetico; i gluoni per la forza forte; i W e Z per la forza debole e infine, per la forza gravitazionale, i fantomatici gravitoni, che ancora non sono stati osservati. Malgrado il Modello Standard sia oggi testato e utilizzato nei laboratori di tutto il mondo, sono ancora molti i misteri da svelare. Uno dei problemi principali è rappresentato dalla massa: a livello teorico, le particelle elementari potrebbero esserne prive e tuttavia rispettare le leggi della natura. Perciò i fisici ipotizzano l’esistenza di una particella detta «bosone di Higgs» (dal nome del fisico inglese Peter Higgs): questo bosone dovrebbe veicolare una speciale forza che, interagendo con le particelle, darebbe loro una massa. Eppure, le ricerche finora eseguite hanno portato a risultati parziali e il bosone di Higgs è chiamato, per la sua inafferrabilità, «la particella di Dio». Questa particella, insieme ad altri misteri tuttora irrisolti, rappresenta «una barriera invisibile che impedisce ai fisici delle particelle di conoscere tutta la verità riguardo al nostro Universo». Parola di Leon Lederman, premio Nobel per la fisica nel 1988. E ha avuto ragione, almeno finora. Livia Giacomini

LIVIA GIACOMINI