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G.Bendiscioli, V.Filippini, A.Fontana, P.Genova, M.Marchesotti (*),P.Montagna, A.Panzarasa, A.Rotondi, P.Salvini

Dipartimento di Fisica Nucleare e Teorica - Universit di Pavia INFN Sezione di Pavia

(*) attualmente presso Cern Ginevra

Materia e antimateria: dalle particelle agli atomi

presentato da A.Rotondi nella seduta dellIstituto Lombardo il 17 ottobre 2002

The laws governing the universe are surprisingly valid also for a type of matter exactly similar to the real one,but with opposite properties in a number of aspects. The existence of this so-called antimatter has been at firstpredicted theoretically, and finally confirmed by a number of observations of subnuclear particles, in experimentalstudies more and more advanced, which recently have arrived to the production in laboratory of antimatter at atomicstate.

The symmetry of the physical laws could lead to think that in the universe matter and antimatter are present inequal proportion. But this does not agree with our experience, according to which antimatter in the universe exists onlyin a negligible amount, with a short-lived (creation and annihilation of particle-antiparticle pairs) or latent (ascomponent of unstable particles) presence.

So, why the universe presents such a strong asymmetry between matter and antimatter, when according to theknown physical laws there should be a total symmetry? An exhaustive answer to this question have not been given yet.In the following we will try to suggest some indications about this, starting from the construction of matter andantimatter by their fundamental bricks, the subatomic elementary particles, and examining the properties of thephysical interactions: a possible violation of some symmetry or conservation principle between antimatter and mattercould open the way to the understanding of the universe.

Any similar violation until now has never been observed, because even if it exists it should be very weak,and, above all, in order to observe it a macroscopic amount of antimatter should be available. Until now this did nothappen, but the recent production of antihydrogen atoms at low energies by the Athena collaboration at Cern (Geneva)could open a new scenario in this direction. In the second part of this paper we will describe the experimental techniquewhich led to this result, and some research perspective suggested for the near future.

Le leggi che governano luniverso risultano sorprendentemente valide anche per un tipo di materiadel tutto simile a quella reale ma con propriet per molti aspetti opposte. Lesistenza di questa cosiddettaantimateria stata dapprima prevista teoricamente, poi confermata da numerose osservazioni di particellesubnucleari, in ricerche sperimentali sempre pi evolute che hanno recentemente portato fino allaproduzione in laboratorio di antimateria allo stato atomico.

La validit generale delle leggi fisiche porterebbe a pensare che nelluniverso materia e antimateriasiano presenti in egual misura. Ma questo contrasta con la nostra esperienza, secondo la quale lantimaterianelluniverso esiste solo in minima parte, con una presenza effimera (creazione e annichilazione di coppieparticella-antiparticella) o latente (come componente di particelle instabili).

Come mai dunque luniverso presenta una cos grande asimmetria tra materia e antimateria,quando secondo le leggi fisiche conosciute dovrebbe esserci una completa simmetria? Una rispostaesauriente a questo quesito non ancora stata data. Nel seguito cercheremo di suggerire alcune indicazioniin merito, partendo dalla costruzione della materia e dellantimateria a partire dai loro mattonifondamentali, le particelle subatomiche elementari, ed esaminando le propriet delle interazioni fisiche: unapossibile violazione di qualche principio di simmetria o conservazione tra antimateria e materia potrebbeaprire la strada alla comprensione dellasimmetria delluniverso.

Una tale violazione finora non mai stata osservata, sia perch - se pure esistesse-dovrebbe essere di entit molto piccola, sia soprattutto perch per osservarla bisognerebbe avere adisposizione quantit macroscopiche di antimateria. Finora questo non avvenuto, ma la recenteproduzione di atomi di antiidrogeno a basse energie da parte dellesperimento Athena al Cern diGinevra potrebbe aprire nuovi scenari in questo senso. Nella seconda parte del lavorodescriveremo pertanto la tecnica sperimentale che ha portato a tale risultato, e alcune prospettivedi ricerca che questo apre per il prossimo futuro.

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1. I componenti elementari della materia

Luniverso conosciuto, esseri umani compresi, costituito per definizione da materia. Ogniframmento macroscopico di materia laggregazione di elementi microscopici che hanno comestrutture fondamentali gli atomi. Questi sono costituiti da elettroni e nuclei, corpi dotati di massa edi carica elettrica di segno opposto, legati fra loro dalla forza attrattiva coulombiana che agisce inmodo simile alla legge di gravitazione nel caso dei pianeti e del sole. In ogni atomo il numero deiprotoni nel nucleo uguale a quello degli elettroni. Per questo un atomo detto elettricamenteneutro.

Gli esperimenti mostrano che gli elettroni sono particelle prive di struttura interna; essipossono essere pensati come puntiformi e sono in senso proprio particelle elementari. Essi sono gliesempi pi comuni delle particelle elementari denominate leptoni (che comprendono lelettrone, ileptoni e e i corrispondenti neutrini; i leptoni costituiscono tre famiglie distinte ognuna formatada una particella carica e un neutrino).

Fra i leptoni, solo lelettrone e i neutrini sono stabili, mentre gli altri hanno unesistenzaeffimera. Per esempio il leptone si trasforma (o decade) in un elettrone secondo la reazione

ee (1)

dove

il neutrino muonico e e l antineutrino elettronico (sul significato del prefisso anti-diremo pi avanti). I leptoni possiedono un momento angolare intrinseco (o spin) s = (in unit ).Per questo appartengono alla pi grande famiglia dei fermioni, particelle dotate di spin semintero.

Fra i leptoni hanno una posizione singolare i neutrini, che sono privi di carica elettrica e dimassa (e pertanto si muovono con la velocit della luce) e sono caratterizzati solo dallo spin. Inoltrelo spin risulta sempre orientato in verso opposto allimpulso. Limmagine speculare del neutrino una particella con spin orientato concordemente con limpulso, particella che non mai stataosservata in nessun esperimento.

Loperazione di trasformazione di un oggetto (o un fenomeno) reale nellimmaginespeculare prende il nome di trasformazione di parit: se limmagine non coincide con un oggettoappartenente al mondo reale, si dice che esso non invariante per parit. Lesperienza mostra che ifenomeni nei quali sono coinvolti i neutrini sono i soli fenomeni non invarianti per parit.

Diversamente dagli elettroni, i nuclei atomici hanno una loro struttura interna: sonoaggregati di particelle dette nucleoni e distinte in protoni e neutroni. I nucleoni hanno massa circauguale tra loro e circa 2000 volte maggiore della massa dellelettrone, e sono anchessi fermioni conspin . Il protone ha carica elettrica uguale e opposta (positiva) a quella dellelettrone, mentre ilneutrone elettricamente neutro. I nucleoni vengono tenuti insieme nei nuclei grazie a unainterazione detta forte, attiva a piccole distanze ( 10-15 m) e in grado di vincere la repulsionecoulombiana tra i protoni.

Gli esperimenti mostrano che il neutrone e il protone sono a loro volta aggregati dicostituenti elementari detti quark, fermioni di spin dotati della particolarit di avere una caricaelettrica frazionaria (q= 1/3, 2/3 e, dove e = 1.6 10-19 C la carica dellelettrone, consideratafinora come carica elementare).

I nucleoni risultano cos costituiti ciascuno da 3 quark, combinati in modo da dare la giustacarica elettrica. I quark che li compongono sono di due specie, chiamate u e d (up e down), di carica

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rispettivamente +2/3 e 1/3 rispetto alla carica dellelettrone: il protone costituito dai tre quarkuud (carica totale +1), il neutrone da udd (carica totale 0).

Fig. 1. Schema illustrativo della costituzione della materia nei suoi componenti elementari.Procedendo a ritroso, da antiquark e positroni, possibile in linea di principio costruire struttureatomiche o molecolari di antimateria assolutamente simmetriche a quelle della materia ordinaria.(da Le Scienze, n.411, novembre 2002, pag. 59)

Oltre alla carica elettrica frazionaria, i quark possiedono unaltra carica, detta colore,responsabile dellattrazione forte fra i quark, cos come la carica elettrica responsabiledellattrazione elettromagnetica. E questa attrazione che d origine al protone e al neutrone. Mentreesistono due cariche elettriche distinte dal segno + o , esistono tre cariche forti distinte per ilcolore rosso (R ), verde (V) e blu (B). Nei nucleoni, i 3 quark componenti sono presenti nei trecolori, in modo che globalmente neutrone e protone sono detti incolori o bianchi, cos comelatomo costituito da un uguale numero di cariche di segno opposto detto neutro. Differentementedalle cariche elettriche, che possono esistere libere (come un elettrone o un protone isolati) o legate(come in un atomo neutro o ionizzato), i quark non si rivelano mai isolati, ma solo in aggregatiincolori (come il neutrone o il protone). Rivelare un quark isolato implicherebbe rivelare unaparticella isolata portatrice di una carica elettrica frazionaria e ci non mai accaduto. Usualmentesi dice che i quark sono confinati.

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Una carica elettrica q1 genera attorno a s un campo elettrico descritto dalla legge diCoulomb. Se una carica q2 viene posta a distanza r da q1, il sistema delle due cariche acquisisceunenergia potenziale

rqq

)r(V 21C (2)

che