Materia e antimateria

Gemma Testera

Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

Genova 18 novembre 2008

SommarioCosa e’ l’antimateriaDove e’ e come la si producePerche’ studiare atomi di antimateriaCome si formano gli antiatomi

Cosa e’ l’antimateria?Cosa e’ la materia?Da cosa e’ formato il mondo che ci circonda?

Protoni (positivi), neutroni

atomi

elettroni (negativi)

Quarks: 2 tipi di quarksper formare protoni e neutroni: u, d

metrifrazione di atomo

I mattoni fondamentali

π

μ

K

p

n

e

Λ Σρ

Mondo e antimondoParticelle e antiparticelle devono avere:

Carica (non solo elettrica) uguale e oppostaStessa massa

elettrone, carica –e

Massa m

positrone , carica +e

Massa m

protone, carica +e

Massa= 1836 m

Antiprotone, carica -e

Massa= 1836 m

uud duu

L’ipotesi di Dirac Primi anni del 1900 : le leggi della fisica che governano il mondo che vediamo vanno

estese per descrivere gli atomi e le particelle elementari

1905 :Einstein formula la teoria della relativita’

M. Planck. W. Heisenberg.. pongono le basi della meccanicaquantistica

1928: P. Dirac ipotizzal’esistenza di antimateria

242

±==

xx

Breve storia della antimateria1928 P. Dirac prevede l’esistenza di antimateria1932 : C. Anderson rivela il positrone studiando i raggi cosmici1954 : E. Segre’ rivela l’antiprotone (Bevatron)1960 : si rivela antineutrone1965 : Zichichi, Lederman rivelano antideutoni: nuclei fatto di antimateriaParticelle di antimateria instabili prodotte con acceleratoriL’antimateria e le sue proprieta’ sono tuttora studiate in numerosi

esperimenti agli acceleratori o con esperimenti nello spazio1995 : CERN , FERMILAB: primi atomi di antidrogeno (INFN-Genova)1999 : al CERN entra in funzione AD dedicato alla produzione di antidrogeno

freddo2002 : ATHENA al CERN (e ATRAP) : milioni di atomi di antidrogenoDal 2006 in poi: esperimenti in presa dati o in preparazione

al CERN per studiare le proprieta’ dell’antidrogeno (ALPHA, ATRAP, ASACUSA, AEGIS)

Dove e’ l’antimateria?

L’antimateria sembra praticamente assente nella nostra galassia

Se materia e antimateria si incontrano annichilano rilasciandoenergia E=mc2

Non si rivelano infatti i segnali dovuti alle annichilazioni

Diversi esperimenti INFN cercano antimateria nello spazio

L’antimateria viene prodotta nei laboratori di fisica per mezzo di acceleratori

Come si producel’antimateria ?

Per esempio, come si producono gli antiprotoni?

antiprotoni

protoni

L’energia puo’ essere trasformata in massa e viceversa : E=mc2

Particelle singole di materia tipo protonipossono essere accelerate fino a velocita’prossime a quelle della luce

Quando urtano un bersagliol’energia si trasforma in massa

Gli antiprotoni prodotti hanno energiemolto elevate e velocita’ vicine a quelle della luce

Come si producel’antimateria ?

Per esempio, come si producono gli antiprotoni?

Si osserva che protoni e antiprotonivengono prodotti in coppie: conservazione numero barionico

Ma perche’ il nostro universo e’ fatto solo di materia?

•L’universo primordiale era una mistura di massa e energia(alta temperatura)

•Formazione e annichilazione continua di particelle e antiparticelle

•L’universo si espande e si raffredda: per qualche ragionesopravvive un piccolo eccesso di materia

•Si formano atomi e strutture e il mondo in cui viviamo

• Perche’ ci sono solo barioni nell’universo e non antibarioni?

• NOTA: senza asimmetria non saremmo qui a parlarne…….

•C’e’ forse qualcosa di asimmetrico nel modo in cui materia e antimateria

interagiscono….??? Materia e antimateria sono proprio identiche???

BigBang

Un mondo di antimateriasarebbe davvero identico a un mondo di materia?

Quarks (Anti-quarks) +Leptoni (Antileptoni)

4 FORZE

•La descrizione delle forze prevede alta simmetria tra materia e antimateria•Se la simmetria fosse totale la bariogenesi forse resterebbe un mistero•Qualche lieve asimmetria e’ gia’ stata osservata

•Pensiamo che le 4 forze siano manifestazioni di una unica forza fondamentale•Non siamo ancora riusciti completamente a formulare una teoria coerente•Questa teoria dovra’ descrivere l’infinitamente grande e l’infinitamente piccologli esperimenti in laboratorio e l’origine dell’universo (TEORIA DEL TUTTO)

Simmetrie: C , P , T

C coniugazione di caricail risultato di un esperimento non cambia se sostituisco tutte le particelle con le rispettive antiparticelle

• Le interazioni deboli non rispettano la simmetria P

• In qualche caso CP puo’ essere violata : 1964 decadimento mesoni K

mesoni K0 si disintegrano in π+ π- un po’ piu’ spesso di quanto facciano le rispettiveantiparticelle: molto raro ma non ambiguoesperimento BABAR (INFN): decadimento mesoni B

T inversione temporalese un fenomeno tra particelle elementari e’ possibile, altrettanto lo e’ quello in cui il

tempo scorre all’indietro

P parita’il processo fisico non distingue tra destra e sinistra

Assenza di antimateriae simmetrie non esatte

“Ricetta” di SakarovIl numero barionico non e’ esattamente conservato (alle alte temperature del big bang)Violazione di CP : si distingue tra barioni e antibarioni e si favorisce la preferenza deibarioniEvoluzione primordiale non in equilibrio termico

Il mistero non e’ risolto, si studiano altre possibili spiegazioni• CPT sembra essere una simmetria davvero fondamentale

•E’ legata ai principi fondamentali che stanno alla base del nostro modo di descrivere le leggi della natura

•Una piccola violazione di CPT potrebbe spiegare l’asimmetria materia-antiameteria

Carica (non solo elettrica) uguale e oppostaStessa massaStessa vita mediaStesso momento magnetico

Simmetria CPT

Studiare antiatomi per verificarela simmetria CPT

Atomi di materia e di antimateria devono essere identici

Stessi livelli energeticiStessa vita media degli stati eccitati

Formare e studiare antiatomi ci puo’ aiutare a capire se esistono piccole violazioni di CPT

Idrogeno e anti-idrogeno:

•e- ( e+) puo’ avere solo alcuni valori di energia (livelli)•e- ( e+) salta da un livello all’altro emettendo o assorbendo un fotone

Esempi di orbitali elettronici: e’ la zona di spazio in cui posso trovare l’elettrone (o il positrone)

p anti-p

e+e-

ener

gia

n=1

n=1n=2

Stato fondamentale

Stati eccitati

Misure dei livelli energeticidell’ (anti) idrogeno

1S-2S idrogeno2 466 061 413 187 103 (46) Hz

15 cifre decimali!

La stessa precisione con antidrogenofornirebbe il test di CPT piu’ preciso chemai sia stato fatto per barioni!

Antiatomi per studiareantimateria e gravita’

Tutti i corpi cadono al suolo con la stessa accelerazione di gravita’

g=9.81 m/s2

Un blocco di piombo e una piuma lasciati cadere dalla torre di Pisa, subiscono la stessa accelerazione di gravita’ terrestre….. e dovrebbero arrivare a terra allo stesso tempo Se provatevi accorgete che non funziona: RESISTENZA DELL’ARIA!!!

Ma la forza esercitata dalla terra sulla piuma, sul blocco di piomboe su qualunque oggetto e’ davvero la stessa!!!

PRINCIPIO DI EQUIVALENZA

(massa inerziale=massa gravitazionale)

Fondamento della relativita’ generale di Einstein

(gravitazione: una delle 4 forze fondamentali)

Apple

Earth Earth

Anti-Apple

G G ?

Esperimenti con bilance di torsione:

12-13 cifre decimali !!

Non sono mai state misurate violazioni del principio di equivalenza per materia

… e per antimateria?Nessuno hai mai misurato come cade una particella o un atomo di antimateriaEinstein: materia e antimateria cadono allo stesso modoNella TEORIA DEL TUTTO e’ possibile che la teoria di Einstein debba subire

modificheLievi differenze tra materia e antimateria: possibili in certi modelli di gravita’

quantistica

CPT non mi aiuta

Perche’ formare e studiare atomi di antidrogeno?

Asimmetria materia antimateria nell’universo e validita’ di CPT

Interazioni gravitazionali della antimateria

L’esperimento su cui lavoriamo a Genova

(AEGIS, successore di ATHENA)

ha come primo obiettivo la misura di g su antidrogeno

Se misuro h ricavo g

Perche’ e’ difficile misurare la accelerazione di gravita’ g su antimateria?

Lancio proiettili da un cannone orizzontale

Non vanno orizzontali ma cadono

hgh∝

L

L

h

H

Fascio di antimateria

Esempio : h=10 micronLe particelle dei fasci hannovelocita’ vicine a quelle della luce

L= alcune centinaia di Km…..

Occorrono particelle con velocita’molto bassa e neutre

Rivelatore di posizione

Prepariamo gli antiatomiMisure di g (ma anche la spettroscopia) richiedono atomi con bassissima velocita’: m/sSi parte da antiprotoni o positroni con velocita’ prossime a quelle della luce

300.000 Km/sec

1GeV= 1013 K 0.1 K 0.001 K10 K

Antihidrogeno prodottoda ATHENA-ATRAP

Obiettivo del nuovoEsperimento AEGIS

Energia inizialedegli antiprotoni

106 K 273 K 0.0000001K

Esp. futuriInterferometriacon antiatomi

AD: solo 188 metri

La fabbrica dellaantimateria al CERN :AD(Antiproton Decelerator)LHC: 27 Km di lunghezza

La fabbrica della antimateria al CERN :AD

AD al CERN: “deceleratore di antiprotoni”diminuisce l’energia del fascio di piu’di una fattore 1000Costruito per gli esperimentisu antidrogenoPacchetti di antiprotoni:circa 30 milioni di antiprotoniogni 100 secondi

….Il restante raffreddamento e’compito degli esperimenti

Gli esperimenti su AD

ATHENA (concluso)

ATRAP, ALPHA, ASACUSA stannoprendendo dati (+ ACE)

AEGIS : in preparazione

“Scatole” per raffreddare antimateria

Scatole (trappole) che possono confinaregli antiprotoni senza che questi tocchino maile pareti materiali

Campi elettrici e campi magneticicostringono gli antiprotoni a muoversiall’interno della scatola

Devo eliminare le particelle di materiaUltraAltoVuoto: P<10-12 mbun milione di milioni meno molecole chein questa stanza (a parita’ di volume)

Una scatola chiusa (o una stanza) contengono tantissime molecoleintrappolate al loro interno che si muovono, urtano tra di loro e rimbalzano sulle pareti

2 cm

50 cm

z

z

Energia potenziale elettrica

z

antiprotoni

Catturare e raffreddare gliantiprotoni

Gli antiprotoni sono catturati in volo: circa uno ogni 10.000

Temperatura iniziale circa uguale a quella del Sole

Gli urti con gli elettroni raffreddano gli antiprotoni: antiprotoni e elettroni non annichilano

e-antiprotoni

La trappola per antiprotoni si trova a 4K

Elettroni “leggeri” si muovono nel campo magnetico e perdono la loro energia: raggiungono 4 K

Campo magnetico B: circa 60.000 volte piu’ alto del campo magnetico terrestre

Solenoide B=3 T

Gli antiprotoni possono sopravvivere in trappola per ore o giorniSi possono accumulare

La prima trappola di ATHENA

e i positroni?Si parte da una sorgente radioattiva di 22Na (10 mC) (circa 400 milioni e+/sec)Si riduce l’energia dei positroni e si accumulano in una seconda trappolaIn 5 minuti si accumulano 100 milioni di positroni : E’ il sistema piu’ efficiente che si conosce (neon solido + urti con un gas)Nonostante cio’ solo circa 1 su mille dei positroni emessi rimane catturato in trappola

108 positroni

I positroni sono 1000-10000 volte piu’ numerosidegli antiprotoniI positroni tendono a respingersiI campi di confinamento le costringno a stare viciniFormano un plasma freddo a forma di pallone da rugbyCi sono moti collettivi (una specie di gelatina….)

4-5 mm

2 cm

“Comunicare” con l’antimateria

Circuito trasmettitore: Segnale di eccitazione(radiofrequenza)

Ricevitore: segnale dovutoalla oscillazione del plasma

Solo quando trasmetto segnali a una frequenza molto vicina alla frequenza a cui il plasma puo’ oscillare ottengo un segnale di risposta

sec

“Comunicare” con l’antimateria

Parametro che descrive la forma del plasma Ottengo

Densita’

Dimensioni del plasma

Numero di particelle

Come si e’ formatol’antidrogeno in ATHENA?

Silicon microstrips

CsIcrystals

511 keV γ

511 keV γπ

π

π

•Gli antiprotoni attraversano milioni di volte al secondo la nuvola di positroni

•Perdono energia

•Quando le velocita’ di positroni e antiprotoni sono molto simili si ha ricombinazione

•L’antiatomo neutro sfugge dalla trappola e annichila sul rivelatore

Antiprotone + e+ + e+ = Anti-idrogeno + e+

Trappola di ricombinazione

positroni

antiprotoni antiprotoni

Quanti antiatomi vengonoprodotti?

Nunero di atomi di antidrogeno prodotti Energia

1996: 9 (PS210, CERN) 2 GeV1998: 60 (Fermilab) 3 GeV2002: ~ 1,000,000 (ATHENA, ATRAP) 0.001 eV

AEGIS (Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry,Spectroscopy)

Molti aspetti simili ad ATHENA (manipolazioni di particelle in trappole)

Antiprotoni ancora piu’ freddi: 0.1 K

Diverso meccanismo di formazione di antidrogeno: scambio carica con positronio

Scopo principale: misura di g

−+→+ eHPsp**)(

Un atomo un po’ speciale: ilpositronio

Positronio : un elettrone e un positrone legati insiemeLivelli energetici simili a quelli dell’idrogeno (e dell’antidrogeno)Vive molto poco nello stato fondamentale: meno di un milionesimo di secondoNegli stati eccitati (Rydberg) puo’ vivere 100-1000 volte piu’ a lungo

Positronio in stato di Rydberg

e+ ed e- sono un po’ piu’ lontani

Il positronio in stato di Rydberg ha grandissimaprobabilita’ di formareantidrogeno quando incontraun antiprotone quasi fermo

fotone

e-

e+

−+→+ eHPsp**)(

Come si misurera’ g?

Fascio di antidrogeno

2 grate materiali con scanalature periodiche, orizzonatli con passo di 80-100 micronUn rivelatore di posizione su cui l’antidrogeno annichilaSimile a un interferometro

Prima grata Seconda grata

Rivelatore di posizione

x/ax/a

Segnale sulrivelatoredi posizione al variare dellacoordinata verticale

g

gx

Vh= 600 m/s

Il fascio “cade” mentre attraversa le grate

Grating Grating unitsunits

gx

Vh= 600 m/s

Vh= 400 m/s

Grating Grating unitsunits

gx

Vh= 600 m/sVh= 300 m/s

gx

Vh= 600 m/s

Vh= 250 m/s

ConclusioniLo studio della antimateria ci aiuta a svelare misteri ancoraaperti sulle leggi fondamentali della fisica e sulla cosmologia

Gli antiatomi freddi danno risposte complementari a quelleottenibili con altri esperimenti agli acceleratori o nello spazio

Applicazioni pratiche di antimateria: positroni e PET e’ gia’una realta’

Propulsione spaziale, reattori (e bombe) ad antimateria: solo fantascienza!!

La singola annichilazione protone - antiprotone rilasciapiu’ di 100 volte l’energia rilasciata nella fusione nucleare di 4 nuclei di idrogeno in elio

Annichilo 1 g di antimateria: 4 miliardi di volte piu’ energia di quella ottenibilebruciando 1 g di petrolio

varie fantasie su voli interplanetari……

Costo di un grammo di antimateria : stimato in 10 miliardi di dollariProduzione estremamente inefficiente

Antimateria prodotta al CERN o FERMILAB negli ultimi anni: nanogrammiCi vorrebbe 1 miliardo di anni per farne un grammo…

Al momento, con l’antimateria prodotta agli acceleratori, riusciremmo a tenere accesa una lampadina da 100 W per non piu’ di 3 minuti….

………fantascienza

Vacuum Solid

Positronbeam

Ps

Ps

Come si forma il positronio

Massima produzione al CERN: 200.000 miliardi di antiprotoni/anno

Corrisponde a soli 0.3 nanogrammi di antimateria!!