Storia e Gloria dell’Antimateria
1. Costituenti della materia
2. Cos’è l’Antimateria?
3. Antimateria a Terra
4. Antimateria nello Spazio
5. Antimateria e Big Bang
Marco G. Giammarchi
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
Via Celoria 16 – 20133 Milano (Italy)
[email protected]
http://pcgiammarchi.mi.infn.it/giammarchi/
LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015
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Antimateria: protagonista di rilievo della letteratura e del cinema di fantascienza
Angeli o
Demoni?
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1. Costituenti della materia
2. Cos’è l’Antimateria?
3. Antimateria a Terra
4. Antimateria nello Spazio
5. Antimateria e Big Bang
Thomson (1897): Discovers electron
Materia composta da costituenti
fondamentali: molecole, atomi,
nuclei  quark, leptoni (elettroni)
1x10 10 m
1x10 15 m
Ossigeno
0.7 x10 15 m
Idrogeno
Idrogeno
 0.7 x10 18 m
1010 m
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Costituenti fondamentali della materia: Quark e Leptoni
Sono elementari al meglio di 10-18 m
Materia ordinaria
Hanno spin e carica ben definiti
Costituiscono la
materia in
condizioni ordinarie
M
a
s
s
a
Costituiscono le
particelle instabili
Decadono in particelle stabili
Leptoni
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Quark
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Come si studiano le particelle elementari? Ad esempio in esperimenti con
acceleratori di particelle.
Ricetta:
• prendere particelle cariche
• accelerarle con sistemi
elettrici e magnetici
(acceleratori)
• farle urtare tra loro
Tunnel di LHC, CERN (Ginevra)
Nei grandi laboratori sistemi
complessi di acceleratori portano
particelle a energie elevatissime
Negli urti tra queste particelle, altre
particelle vengono prodotte. Massa
si trasforma in energia e viceversa
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p
p
Urto tra due protoni !
Trasformazione di energia (dei
protoni) in massa di nuove
particelle
E  mc 2
Gli urti tra due protoni
sono in realta’ urti tra i
quark costituenti
Quark
Protone
Protone
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I grandi complessi di acceleratori di particelle: il CERN di Ginevra
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I grandi rivelatori di particelle:
Atlas al CERN di Ginevra
Sistemi complessi
composti da molti
rivelatori
specializzati
CDF al Fermilab (Chicago)
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Il mondo delle particelle elementari: costituenti (quark,leptoni) e portatori di forze
In fisica classica:
In fisica quantistica
• Azione istantanea a distanza
• Campo (Faraday, Maxwell)
• Scambio di quanti
k
F 2
r
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Perché l’Antimateria?
E se fosse NECESSARIA data la descrizione che abbiamo del mondo delle
particelle elementari? Possiamo descrivere molti sistemi con questi criteri:
Velocita’ basse
v << c
Velocita’ alte
v simile a c
Sistema
macroscopico
Pienamente
Classico
Relativistico (non quantistico)
Sistema
atomico
Quantistico
(non relativistico)
Quantistico Relativistico
?
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Particelle e antiparticelle: la “nascita” della fisica delle particelle
1928: Equazione di Dirac, sintesi di Relatività Speciale e Meccanica Quantistica.
i 


  m   0
Le soluzioni dell’Equazione di Dirac per l’elettrone contenevano (gli stati di
spin) un’altra particella, con carica opposta a quella dell’elettrone
Elettrone, s=+1/2
Elettrone, s=-1/2
Positrone, s=1/2
Positrone, s=-1/2
Il positrone, particella identica
all’elettrone e- ma avente carica
positiva: e+. La prima previsione della
teoria quantistica relativistica
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1. Costituenti della materia
2. Cos’è l’Antimateria?
3. Antimateria a Terra
4. Antimateria nello Spazio
5. Antimateria e Big Bang
Il modo più semplice:
cambiare la carica
elettrica
Una banalita’: lo scambio di tutte le cariche delle particelle
Problemi:
1) Le strutture complesse?
(un atomo, una molecola)
2) Le particelle neutre?
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La prima particella di antimateria scoperta: il positrone (antielettrone)
Positroni scoperti nelle interazioni dei raggi
cosmici in camere a nebbia (Anderson, 1932).
L’esistenza delle antiparticelle: una proprietà
generale (ma non universale!) delle particelle
elementari
Antiparticella: stessa massa della particella
ma carica (e momento magnetico) opposti
I costituenti
fondamentali hanno tutti
un’antiparticella !
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La scoperta dell’antiprotone : ricerca di una particella di massa pari a quella
del protone ma di carica negativa
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Il primo grande
acceleratore, il
Bevatron a Berkeley
1. Accelerazione
2. Interazione
3. Rivelazione
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Ricetta per costituire antimateria:
Scomporre la materia in costituenti (particelle) elementari
Prendere l’antiparticella di ogni particella elementare
Rimettere il tutto insieme
PROTONE: QUARKS
ANTIPROTONE: ANTIQUARKS
Ad esempio l’antiprotone:
Ad esempio l’anti-neutrone:
NEUTRONE: QUARKS
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ANTINEUTRONE: ANTIQUARKS
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1. Costituenti della materia
2. Cos’è l’Antimateria?
3. Antimateria a Terra
4. Antimateria nello Spazio
5. Antimateria e Big Bang
Abbiamo visto l’antimateria in forma di particelle. Ma…
1) Le antiparticelle sono stabili?
2) Possiamo costruire strutture più grandi di antimateria?
L’antimateria è del tutto instabile:
Una particella di antimateria ha tutti i numeri quantici
OPPOSTI a una di materia !
Appena urta la materia, tutto si trasforma in radiazione
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Ad esempio, un elettrone e un positrone (antielettrone) :
e

e

e e 


Con trasformazione di tutta la massa in
energia:
2
E  mc
L’antimateria esplode al contatto
con la materia!! Isolare bene
l’antimateria dalle pareti del
contenitore di materia
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La costruzione di anti-atomi:
Anti-idrogeno
(Anti-deuterio)
(Anti-elio)
La bottiglia di “Angeli e Demoni” è un
insieme di trappole per confinare
particelle cariche e metterle insieme
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Studiare l’Antimateria sulla Terra?
Una macchina dedicata al CERN:
1) Antiproton Decelerator
2) Produzione e studio di anti-H
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• Produzione anti-idrogeno
• Confinamenteo anti-H
• Gravità anti-H
• Eli antiprotonico
• Adroterapia con antiprotoni
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Quali sono le proprietà degli anti-atomi?
Sono fatti come gli atomi ordinari (a parte le
cariche scambiate?)
Cadono come gli atomi ordinari nel campo
gravitazionale terrestre?
Studio delle transizioni
atomiche dell’anti-idrogeno e
confronto con quelle
dell’idrogeno
Come cade un
antiatomo?
Test di leggi fisiche
fondamentali con
antimateria (CPT e
Principio di Equivalenza)
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2. Cos’è l’Antimateria?
3. Antimateria a Terra
4. Antimateria nello Spazio
5. Antimateria e Big Bang
Materia e antimateria in forma di particelle elementari.
Particelle dallo spazio!
Raggio cosmico primario
Sciame di particelle
secondarie prodotte
nell’atmosfera
I raggi cosmici primari possono
contenere antiparticelle
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Motivazioni per la ricerca di antiparticelle nello spazio
Siccome l’Universo appare composto di materia (non di antimateria):
1) L’antimateria può essere prodotta in processi strani
2) Antimateria complessa (anti-elio) può indicare stelle di antimateria !!
La presenza dei positroni
potrebbe indicare il
decadimento di particelle di
materia oscura
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AMS: Alpha Magnetic Spectrometer
Ricerca antiparticelle nello spazio
Lanciato nel Maggio 2011
Residente sulla Stazione Spaziale
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2. Cos’è l’Antimateria?
3. Antimateria a Terra
4. Antimateria nello Spazio
5. Antimateria e Big Bang
Lo schema con cui si descrive
la nascita e l’evoluzione
dell’Universo è quello del
BIG BANG CALDO
La creazione di Adamo – Michelangelo Buonarroti (1511).
(Musei Vaticani - La Cappella Sistina)
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Il modello del Big Bang:
1)
2)
3)
4)
5)
Il red-shift (espansione cosmica)
La nucleosintesi primordiale
La radiazione cosmica di fondo
La Relatività Generale
L’Inflazione
Osservazioni sperimentali
Teoria della Gravitazione
Se l’Universo è in espansione,
nei primi istanti ci si doveva
trovare in una situazione di
densità altissima, temperatura
altissima, energia/particella
altissima
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Particelle/Antiparticelle libere
Una storia termica dell’universo
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Particelle/Antiparticelle libere
e e  
 
  ee
Queste reazioni
creano e
distruggono
particelle/antiparti
celle in ugual
numero
p p 
Quando l’energia scende non è più
possibile creare coppie
particella/antiparticella. Invece tali
coppie si possono distruggere:
ee   
  e  e  NO
Una storia termica dell’universo
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Particelle/Antiparticelle libere
1) particella  antiparticella  energia
2) energia  particella  antiparticella
Reazioni di questo tipo
dovrebbero aver mantenuto
uguale il numero di
particelle e antiparticelle
Al diminuire di T solo la 1
resta possibile e tutte le
particelle/antiparticelle si
annichilano in energia
Una storia termica dell’universo
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Ma l’Universo non
è vuoto. Contiene
MATERIA e non
ANTIMATERIA !
Un processo fisico
ha alterato il
rapporto tra materia
e antimateria nei
primi istanti,
creando un poco
(pochissimo) di
materia in più
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Una profonda simmetrai in natura. Lo studio delle proprietà di antiparticelle e
particelle può risolvere uno dei misteri più profondi del cosmo.
l  10
18
l  4300 Mpc
cm
t 1023 s
t 13.8 109 y
Grazie per la vostra attenzione
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