ATOMI DI ANTIDROGENO costituiti

da un positrone (in rosso) in

orbita attorno a un antiprotone

(in verde) si allontanano dal

punto di formazione e collidono

con la parete di materia, dove

si annichilano producendo uno

sciame di particelle energetiche.

Atomi di antidrogeno a bassa energia

permetteranno ai ricercatori di verificare

una proprietà fondamentale dell'universo

P. Collins

la nemesi della materia: l'antimateria.Come gemelle malvagie, le particelle di antimateria sono spe-

culari alle particelle ordinarie per ogni aspetto, tranne per il fattodi avere carica opposta: per questo, quando si scontrano unaparticella e la relativa antiparticella si produce una violenta anni-chilazione. La conflagrazione di un solo grammo di particelle diantimateria con la materia «sorella» sprigionerebbe un'energiaequivalente a circa 40.000 tonnellate di tritolo, abbastanza persoddisfare il fabbisogno di 5000 abitazioni per un anno.

Fortunatamente per la nostra sicurezza, e sfortunatamenteper la nostra politica energetica, l'antimateria è rara in natura.Alcune sostanze radioattive emettono positroni, le antiparticelledegli elettroni, e sono utilizzate nella PET (tomografia a emissionedi positroni). Una piccola quantità di antiprotoni arriva costan-temente dallo spazio, con i raggi cosmici. Inoltre la gigantescapioggia di particelle prodotta quando un componente dei raggi

cosmici di alta energia colpisce un atomo dell'atmosfera contie-ne numerose antiparticelle. Ma quando si tratta di quantità realidi materia, l'antimateria semplicemente non si trova; neppurel'esistenza di atomi isolati di antimateria, o antiatomi, è nota innatura. Ma poiché la teoria suggerisce che lo studio di antiatomipotrebbe fornire una comprensione ineguagliabile delle leggi dellafisica, si sta cercando di produrli artificialmente, e di recente sonostati ottenuti risultati positivi.

11 primo fascio di antiparticelle fu prodotto nel 1955 al Lawren-ce Berkeley National Laboratory con l'acceleratore Bevatron, lan-ciando protoni su un bersaglio di rame. 11 processo è l'inversodell'annichilazione: parte dell'energia delle collisioni è conver-tita in coppie di protoni e antiprotoni. Oggi al Fermi NationalLaboratory di Batavia, nell'Illinois, gli scienziati prendono gliantiprotoni che circolano in grandi anelli di accumulazione e li

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LE SCIENZE 89

o

rn2 etr3 ••nn•

L'ASIMMETRIA DELL'UNIVERSO

Q

uando l'universo ebbe inizio, con il big bang, l'energia liberata

avrebbe dovuto produrre materia e antimateria in uguali

quantità. Come ha potuto un universo simmetrico evolvere in

quello che vediamo oggi, in cui quasi ogni cosa è costituita da

materia? A questa domanda rispose nel 1967 il grande fisico

russo Andrei Sakharov, quando mostrò che una delle condizioni

necessarie per questa evoluzione è la violazione della simmetria

CP, che permette alle particelle di decadere con probabilità

differenti rispetto alle antiparticelle.

Due esperimenti ora in corso — BaBar allo Stanford Linear

Accelerator Center [SLAC) e Belle a Tsukuba, in Giappone — stanno

studiando la violazione di CP nel decadimento di particelle e

antiparticelle chiamate mesoni B. Nell'agosto 2004 entrambi

hanno annunciato l'osservazione diretta di una consistente

violazione di CP da parte dei mesoni B: uno specifico decadimento

awiene molto più spesso per le particelle che per le antiparticelle.

Finora la grandezza delle violazioni di CP osservate è in buon

accordo con le previsioni del modello standard della fisica delle

particelle. Ma c'è una particolare reazione che mostra un leggero

eccesso di violazione di CR Se fosse confermata, sarebbe un

indizio della necessità di una fisica che tratti particelle non

ancora scoperte (si veda La fisica oltre il modello standard, di

Gordon Kane, in «Le Scienze», n. 419, luglio 2003]. La violazione

osservata finora, tuttavia, non sembra sufficiente affinché il

modello di Sakharov spieghi pienamente l'asimmetria materia-

antimateria del nostro universo.

fanno collidere frontalmente con un fascio di protoni simile perstudiare la fisica delle particelle a energie estremamente alte.

I primi antiatomi furono prodotti nel 1995 al CERN di Gine-vra. Fu preparato un fascio di antiprotoni in circolazione in unanello di accumulazione in modo da incrociare un getto di atomidi xeno. Di tanto in tanto una collisione produceva una coppiaelettrone-positrone, con il positrone e l'antiprotone che si allon-tanavano insieme formando un atomo di antidrogeno.11 gruppoosservò nove antiatomi che viaggiavano a velocità prossime aquella della luce. Un esperimento simile svolto al Fermilab nel1998 ha prodotto 57 antiatomi.

Ma gli antiatomi ad alta velocità non sono molto utili. Per stu-diarne bene le proprietà, occorre imprigionarli in una trappolaatomica, il che significa che devono essere rallentati e raffreddatia temperature inferiori a 0,5 kelvin. Questo è l'obiettivo che sisono prefissati due gruppi di ricerca del CERN in competizionetra loro. La collaborazione ATRAP, guidata da Gerald Gabrielsedella Harvard University, nasce da un precedente gruppo (TRAP)che fece i primi passi esplorativi nella cattura e nel raffreddamen-to degli antiprotoni (si veda l'articolo Antiprotoni ultrafreddi, diGerald Gabrielse, in «Le Scienze», n. 294, febbraio 1993).11 gruppoATHENA, guidato da Rolf Landua del CERN, ha iniziato più tardi,ma alla fine del 2002 è stato il primo a pubblicare un lavoro cheannunciava l'osservazione di atomi di antidrogeno freddi. Un terzogruppo, ASACUSA, sta svolgendo studi correlati con esotici atomidi elio in cui un elettrone è rimpiazzato da un antiprotone.

Alcuni ricercatori sperano di poter sfruttare in futuro l'antima-teria per la propulsione (si veda il box a p. 95), ma il più imme-diato obiettivo dello studio delle antiparticelle ha a che fare conil cosiddetto teorema di simmetria CPT, che collega le proprietàdi una specie di particelle a quelle delle rispettive antiparticelleprevedendo che seguano le stesse leggi fisiche. Intrappolato unnumero sufficiente di antiatomi, si spera di vedere se l'antidrogenoemette e assorbe radiazione luminosa esattamente alle stesse fre-quenze dell'atomo di idrogeno. Se la simmetria CPT è soddisfatta,i due spettri dovrebbero essere identici.

Storicamente, le simmetrie collegate alla simmetria CPT hannofatto registrare una lunga lista di fallimenti: ciascuna di esse èrisultata violata nel mondo reale. Ogni volta che una previsionedi simmetria è saltata, i fisici hanno acquisito nuove e importantiinformazioni sulle proprietà delle particelle e delle forze fonda-mentali. La violazione della simmetria CPT da parte dell'antidro-geno sarebbe la madre di tutte le simmetrie infrante e avrebbeimportanti conseguenze per i modelli fisici della realtà.

Come in uno specchio (o quasi)

Per capire che cos'è la simmetria CPT e perché è così importante,consideriamo le tre parti che la compongono: coniugazione di cari-ca (C), parità (P) e inversione temporale (T). La coniugazione di cari-ca è la sostituzione di ogni particella con la rispettiva antiparticella.La parità è essenzialmente la riflessione in uno specchio (o megliol'inversione dello spazio rispetto a un punto). L'inversione tempo-rale, infine, significa far scorrere all'indietro il «film» della realtà.

Affermare che è valida la simmetria P, o che la natura è «inva-riante» rispetto alla simmetria P, significa dire che qualunque pro-cesso fisico osservato allo specchio segue ancora le stesse leggi del

processo che avviene nella realtà. Immaginando di lanciare in ariauna palla davanti a uno specchio, la simmetria P sembra ovvia.Ma come potrebbe non essere rispettata? Stranamente, come èstato scoperto nel 1956, la simmetria P è infranta dall'interazionenucleare debole, che è coinvolta in alcuni decadimenti radioatti-vi: il cobalto 60 che decade nella realtà appare diverso dalla suaimmagine allo specchio. Come una persona che brandisce unaracchetta da tennis con la mano destra (che nell'immagine allospecchio è afferrata con la sinistra), il decadimento del cobalto 60ha una chiralità intrinseca che viene invertita dallo specchio.

In molte situazioni in cui viene infranta la simmetria P, la sim-metria CP è comunque conservata: un'immagine allo specchio diun atomo di anti-cobalto si comporta come un atomo di cobaltoreale. È come se l'anti-persona fosse mancina, per cui la sua imma-gine riflessa è destrimane come la persona originale. Ma nel 1964i fisici hanno scoperto che anche la simmetria CP viene infranta,sia pure in rare occasioni, in alcuni processi. Nonostante la suaestrema rarità, la violazione della simmetria CP potrebbe avere unruolo nella predominanza della materia sull'antimateria.

Resta solo la simmetria CPT, che è un po' l'equivalente di ciòche si vedrebbe assistendo a un film interpretato da antiparticellee proiettato all'indietro in uno specchio. L'invarianza CPT signi-fica che l'antifilm al contrario seguirebbe le stesse leggi fisichedella realtà. Se il comportamento dell'antifilm differisse in qua-lunque modo da quello della realtà, questa differenza sarebbe unaviolazione della simmetria CPT.

La simmetria CPT ha profonde radici matematiche. È descrittadalle equazioni della teoria quantistica dei campi, che riguardale particelle e le forze fondamentali. Per più di mezzo secolo, lafisica delle particelle si è basata sulla teoria quantistica dei campi:la violazione di CPT segnerebbe il suo crollo. Ma darebbe ancheun'importante indicazione su come sviluppare una teoria chevada oltre il modello standard della fisica della particelle.

Dagli esperimenti che coinvolgono particelle instabili si è capi-to che qualunque violazione della simmetria CPT sarebbe moltolieve. Inoltre, quando il gruppo TRAP ha condotto esperimenti perconfrontare con i protoni gli antiprotoni intrappolati, la simmetriaCPT è stata verificata per questa classe di particelle con precisionemaggiore di qualunque esperimento precedente. Ma questa ricercadeve continuare per raggiungere una precisione ancora maggiore,perché vi è motivo di credere che la violazione di CPT si possaverificare a scala ancora più piccola. La spettroscopia dell'idro-geno è molto precisa. Se la stessa precisione fosse raggiunta conl'antidrogeno, un confronto dei due spettri porterebbe la fisicamolto oltre l'attuale frontiera CPT per le particelle stabili.

Oltre a violare la simmetria CPT, l'antimateria potrebbe esseresoggetta alla gravità in modo diverso dalla materia. Non si trattadel fatto che l'antimateria sperimenterebbe una sorta di «anti-gravità» e sarebbe respinta dalla materia, come alcuni credonoerroneamente. Piuttosto, solo una piccola componente dell'inte-razione gravitazionale potrebbe essere invertita per l'antimateria.Questa scoperta porterebbe a una revisione profonda della nostracomprensione della gravità. Gli studi sulle antiparticelle cariche,come i positroni e gli antiprotoni, non hanno speranza di arrivarea indagare gli effetti della gravità, dal momento che le perturba-zioni causate da campi elettrici e campi magnetici parassiti sono digran lunga troppo intense. Plausibilmente, tuttavia, gli antiatomi

CESPERIMENTOATHENA, al CERN di Ginevra, è uno dei due dispositivi

con cui è possibile produrre antidrogeno freddo.

• Un'antiparticella ha carica opposta a quella della

corrispondente particella, e se le due collidono si

annichilano, liberando una grande quantità di energia.

Recentemente i fisici sono riusciti a creare i primi atomi

di antimateria [antiatomi) che si muovono a velocità

relativamente basse.

• In futuro questi antiatomi — atomi di antidrogeno —

potrebbero essere utilizzati perverificare una proprietà

fondamentale dell'universo nota come simmetria CPT.

Anche una lieve violazione della simmetria CPT sarebbe una

scoperta importante, e spingerebbe alla formulazione di una

nuova fisica.

m Finora, tuttavia, gli atomi di antidrogeno sembrano avere

una temperatura di 2400 kelvin, molto maggiore degli 0,5

kelvin necessari per gli studi di CPT. Il prossimo obiettivo

sarà produrre a ntiatomi a temperature più basse e in stati

utili per l'analisi spettroscopica.

neutri potrebbero essere raffreddati a temperature estremamentebasse e osservati mentre sono in caduta libera, come è stato fattocon atomi ordinari raffreddati con il laser. Gli esperimenti di gra-vità, però, saranno molto più difficili dei test di CPT.

Gli anti-ingredienti

Produrre gli atomi di antidrogeno necessari per questi esperi-menti richiede due ingredienti, positroni e antiprotoni, che sonomolto differenti per quanto riguarda la facilità di produzione. Ipositroni non sono un problema, perché numerosi isotopi radioat-tivi li emettono in un processo chiamato decadimento beta. Gliantiprotoni invece devono essere prodotti in tutt'altro modo.

Negli esperimenti del CERN come sorgente di positroni si usal'isotopo 22 del sodio: un campione da un grammo emette 200.000miliardi di positroni al secondo. Ma questi positroni sono emessicon un'energia di 550 chiloelettronvolt (keV), equivalente a unatemperatura di sei miliardi di gradi. Per essere utilizzabili nellaproduzione di antidrogeno, devono essere rallentati dalla lorovelocità di emissione, pari a nove decimi della velocità della luce,fmo a pochi chilometri al secondo. 11 rallentamento si ottiene conuna serie di processi differenti (si veda il box a p. 92). In cinqueminuti il gruppo di ATHENA accumula circa 75 milioni di positro-ni sospesi nel vuoto spinto di una trappola di Penning mediantecampi elettrici e magnetici.

Gli antiprotoni, invece, non vengono prodotti da alcuna sor-gente radioattiva conveniente, perciò bisogna crearli a partireda pura energia, sparando protoni su un bersaglio di metallo.Questo processo genera, insieme ad altre particelle, un fascioad alta energia di antiprotoni. Per produrre antidrogeno freddo,bisogna rallentare gli antiprotoni a temperature simili a quella deipositroni. Per la prima fase del processo di decelerazione si usala stessa tecnologia che serve ad accelerare i fasci di particelle,ma al contrario. Dal 2000, il rallentamento si ottiene grazie aldeceleratore di antiprotoni (AD) del CERN.

Ogni minuto e mezzo, l'AD emette un impulso di circa 20 milio-ni di antiprotoni, che viaggiano solo a un decimo della velocitàdella luce, corrispondente a un'energia di circa 5 MeV. Questi sonoulteriormente rallentati da una sottile finestra di alluminio e infine

90 LE SCIENZE

444 /agosto 2005

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LE SCIENZE 91

L'alluminio rallenta parte degli

COME FUNZIONA LA TRAPPOLA PER ANTIPROTONILa trappola è precaricata con un una nube elettronica fredda. Gliantiprotoni provenienti dal deceleratore entrano nella trappolaattraverso una sottile parete di alluminio.

nio77 7

antiprotoniAntiprotom

ElettrodiElettroni freddi

Potenzialeelettrico

Rivelatorea cristallo Pione

Per ottenere un atomo di antidrogeno, occorre produrre e mettere insieme antiprotoni e positroni inmodo controllato. Il deceleratore di antiprotoni del CERN (a destra] fornisce antiprotoni di energiarelativamente bassa agli esperimenti ATRAP, ATHENA e ASACUSA. Il campo magnetico e il campo elettricointrappolano antiprotoni e positroni alle due estremità di un tubo in cui viene praticato il vuoto (sotto].I campi vengono poi combinati per mettere insieme le particelle in una trappola di ricombinazione, dovesi formano gli atomi di antidrogeno che vengono poi rivelati. I principi di funzionamento della trappoladi ricombinazione furono sperimentati per la prima volta dal gruppo di ATRAP e dal suo predecessore,TRAR I disegni qui sotto sono relativi all'esperimento ATHENA.

TRAPPOLA PER ANTIPROTONI E TRAPPOLA DI RICOMBINAZIONE

La trappola per antiprotoni (a sinistra) accumula gli impulsi di antiprotoni provenienti dal deceleratore (dettaglio

a sinistra). Quando se ne sono accumulati a sufficienza, vengono trasferiti nella trappola di ricombinazione. La

trappola trattiene gli antiprotoni e i positroni forniti dall'accumulatore di positroni mostrato a destra nella stessa

regione di spazio, facendo sì che si formino atomi di antidrogeno (dettaglio al centro).

Magnetesolenoidale

superconduttoreRivelatore diantidrogeno

—

Impulsi diantiprotoni daldeceleratore

1111111111111~_Trappola di Trappola di

accumulazione ricombinazionedegli antiprotoni

Sezione di trasferimentodei positroni

Sorgente di sodio 22 estrato di neon solido

i metro

Positroni

r-

L'ACCUMULATORE DI POSITRONI

I positroni emessi da una sorgente di sodio 22 (all'estrema destra) sono

rallentati dal passaggio attraverso un sottile strato di neon solido e dalla

collisione con azoto gassoso. Una trappola di Penning cattura i positroni

rallentati. Quando sono stati accumulati abbastanza positroni, l'azoto

viene espulso e i positroni trasferiti nella trappola di ricombinazione.Azoto

Bersaglio

—moti

Impulso diprotoni

Impulsodi antiprotonomweirvioi

, -

10 metri

'441"TRAP -1111411.

.1

AT H E NA4Ilik9,-.11.

VISIONE D'INSIEME

Deceleratore ASACUSA‘

Elettrodi dellatrappola di penning

Una barriera di potenziale elettricoriflette all'indietro nella trappola gliantiprotoni rallentati. Gli antiprotonidi alta energia sfuggono versodestra.

Un'altra barriera di potenziale vienerapidamente alzata all'estremitàsinistra, in modo che gli antiprotonirimbalzano avanti e indietro tra ledue estremità

Gli antiprotoni cedono energia aglielettroni e infine occupano il centrodella trappola. La barriera di sinistrasi abbassa per far entrare ilsuccessivo impulso di antiprotoni Antiprotoni catturati

Magnetesolenoidale

COME FUNZIONA LA TRAPPOLA DI RICOMBINAZIONE

I positroni non possono essere raccolti nella stessa buca di potenziale cheospita una nube di antiprotoni, perciò la loro trappola deve essere ricavataall'interno della trappola per gli antiprotoni.

Gli antiprotoni rimbalzano avanti eindietro tra i confini di una grande eprofonda buca di potenziale con unacollinetta che si alza nel centro

I positroni, che hanno carica opposta,«vedono» il potenziale invertito, cosìla collinetta diventa una depressionesulla cima di un'ampia collina

La depressione intrappola i positroninella stessa regione di spazio in cuivi sono gli antiprotoni, permettendoagli atomi di antidrogeno di formarsi 11:7-711

125

100

75

50

- 50

- 75

- 100

125

COME FUNZIONA IL RIVELATOREQuando si formano nella trappola di ricombinazione, gli atomidi antidrogeno, essendo neutri, tendono a uscire dalla trappola

elettromagnetica e collidono con le pareti del contenitore. Quiantiprotoni e positroni vengono annichilati, producendo tre pionidi alta energia e una coppia di raggigamma. Gli strati delrivelatore di particelle

che circondanola regione diricombinazione 411 Rivelatorerivelano queste a film sottile

particelle.

Parete dellatrappola

di ricombinazione

Raggio gammaAntidrogeno

Wil\s~/".......

01(

PRODURRE E RIVELARE LANTIDROGENO FREDDO ridotti a pochi elettronvolt di energia in una trappola di Penning. Ipacchetti di antiprotoni che si succedono l'un l'altro possono esse-re imprigionati nella trappola con un processo di accumulazione.La trappola di ATHENA può trattenere circa 10.000 antiprotoni perdiverse ore; ATRAP, con un vuoto più spinto, ne ha intrappolatimezzo milione, senza apprezzabili perdite, per due mesi.

confinamento di particelle cariche è sperimentato da decenni,ma le trappole standard funzionano solo per particelle che hannotutte carica elettrica dello stesso segno. Per esempio, una trappoladi Penning cilindrica che ospita positroni non può contenereantiprotoni. In questo schema di trappola, un campo magneticoconfina le particelle radialmente, e un campo elettrico aumentail potenziale alle estremità del cilindro.

Per il positrone, si può immaginare il potenziale alle estremitàcome una rampa, e la particella come una pallina che rotola super la rampa. I positroni che si muovono abbastanza lentamentesi fermano e tornano indietro sulla rampa, restando all'internodella trappola. Sfortunatamente, per gli antiprotoni - che hannocarica opposta - le rampe alle estremità della trappola non sonoin salita, ma in discesa: perciò le particelle tendono a «scivolarevia», andando a collidere con le pareti della camera a vuoto e per-dendosi. Per intrappolare gli antiprotoni, occorrerebbe invertireil campo elettrico, e quindi il potenziale.

Il trucco per confinare insieme particelle di carica opposta fuideato nel 1988 da Gabrielse: si mette una trappola poco profondaper particelle di una polarità all'interno di una trappola profon-da per particelle di polarità opposta. Le specie intrappolate dallepareti esterne «vedono» una profonda buca con al centro unacollinetta, come le ultime gocce di vino sul fondo di una bottiglia.Le specie di carica opposta vedono tutti i potenziali invertiti, e lacollinetta diventa una piccola depressione al centro della cima diuna montagna. Sia ATRAP che ATEINA usano una trappola diquesto genere per tenere insieme antiprotoni e positroni; nellaregione della collinetta i due tipi di particelle coesistono. Il teamdi Gabrielse ha realizzato questo schema con protoni ed elettroninel 1996 e con antiprotoni e positroni nel 2001.

A volte le collisioni tra particelle di segno opposto produconoun positrone e un antiprotone che si muovono insieme lungo lastessa direzione e finiscono per orbitare l'uno intorno all'altro. Evoilà, il gioco è fatto: è nato un atomo di antidrogeno.

La rivelazione

Avendo prodotto atomi di antidrogeno, i ricercatori si trovanodi fronte a due problemi. Primo: come rivelare gli atomi per pro-vare che si siano effettivamente formati? Secondo: l'operazionedeve essere fatta rapidamente, perché gli atomi di antidrogeno,essendo elettricamente neutri, non vengono trattenuti dalla trap-pola. Gli antiatomi sfuggono rapidamente dalla trappola con lavelocità che essi acquisiscono quando vengono creati.

La collaborazione ATHENA usa il secondo problema comesoluzione del primo. Quando gli atomi che sfuggono incontranole pareti del contenitore, cessano di esistere. Il positrone si anni-chila quasi subito nell'incontro con un elettrone di un atomo dellaparete, e l'antiprotone viene annichilato da un nucleo. La primareazione genera due raggi gamma di energia caratteristica (511keV) che viaggiano in direzioni opposte; la seconda crea due o tre

Magneti

LE SCIENZE 9392 LE SCIENZE

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Fascio di cesio

La collaborazione ATRAP ha introdotto un metodo a controllo laser per produrre atomi di

antidrogeno senza la necessità di trappole di ricombinazione (dispositivo in basso]. Gli

antiprotoni e i positroni sono catturati in trappole adiacenti, e gli «atomi» neutri di positronio

(costituiti ciascuno da un elettrone e un positrone coorbitanti) trasferiscono i positroni agli

antiprotoni. La sequenza delle reazioni dovrebbe assicurare che l'antidrogeno risultante

abbia una velocità limitata (ovvero una bassa temperatura), ma questa circostanza non è

ancora stata confermata.

Fasci laser

Elettrodidella trappola

PositroniAntiprotoni

Buca dirivelazione

Disgregatoredi antiprotoni(berillio]

IAtomi di cesio passano attraverso fascilaser accordati per eccitare gli atomi in stati

energetici noti come stati di Rydberg

42 I positroni in una trappola catturano glielettroni eccitati dagli atomi di cesio

formando positronio, ancora negli stati diRydberg. Essendo neutro, il positronio sfuggedalla trappola in tutte le direzioni

3Alcuni atomi di positronio viaggiano versouna trappola di antiprotoni in cui questi

catturano i positroni, formando atomidi antidrogeno che sfuggono dalla trappola intutte le direzioni

4Alcuni degli atomi di antidrogeno viaggianoverso una seconda trappola di antiprotoni,

in cui un intenso campo elettrico strappa viai positroni. Gli antiprotoni così intrappolativengono rivelati, provando l'esistenza degliatomi di antidrogeno

Atomodi cesio

Trappoladi positroni

Stati diRydberg

Trappola di antiprotoni —4;0 Antiprotone

Antidrogeno-

Trappola di rivelazionedi antiprotoni

Campoelettrico

LA PRODUZIONE A CONTROLLO LASER

PER APPROFONDIRE

AMORETTI M. e altri, Production and Detection of Cold AntihydrogenAtoms, in «Nature», Vol. 419, pp. 456-459, 3 ottobre 2002.

GABRIELSE G. e altri, Background-Free Observation of Cold Antihydro-gen with Field-lonization Analysis of lts States, in «Physical ReviewLetters», Vol. 89, n. 21, p. 213401, 18 novembre 2002.

EADES JOHN, The Antiproton: a Subatomic Actor with Many Roles, in«CERN Courier», Vol. 43, n. 6, luglio-agosto 2003. Disponibile on lineall'indirizzo cerncourier.com/main/article/43/6/17

GABRIELSE G. e altri, First Measurement of the Velocity of Slow Anti-hydrogen Atoms, in «Physical Review Letters», Vol. 93, n. 7, pp.073401-1-073401-4, 13 agosto 2004.

S

econdo i calcoli della NASA, 42 milligrammi di antiprotoni hanno

un'energia pari a 750.000 chilogrammi di combustibile e

ossidante contenuti nel serbatoio esterno dello space shuttle.

L'utilità di questa fonte di energia concentrata per la propulsione

sembra evidente, ma prima che il viaggio nello spazio spinto da

antimateria diventi una realtà occorrerà risolvere parecchi problemi.

La prima esigenza, owiamente, è trovare un metodo pratico

per produrre quantità di antimateria dell'ordine del milligrammo.

Il deceleratore di antiprotoni del CERN produce 20 milioni di

antiprotoni ogni 100 secondi. Se funzionasse 24 ore su 24 per

sette giorni alla settimana per un anno produrrebbe la miseria di

dieci picogrammi di antiprotoni.

Poi ci vuole un metodo per immagazzinare grandi quantità di

antimateria. Una tipica trappola per atomi neutri può contenere

solo qualche milione di atomi. In

uno schema proposto da Steven

D. Howe e Gerald P Jackson

della Hbar Technologies

durante la Conferenza NASA

del 2003, l'antidrogeno

verrebbe immagazzinato in

forma di «pastiglie» solide

(come l'idrogeno, l'antidrogeno

solidifica a 14 kelvin). Le

pastiglie, del diametro di circa

150 micrometri, sarebbero 5

caricate elettricamente e

sospese in una schiera di

trappole elettrostatiche.

Anche con una significativa

scorta di antimateria, l'energia

prodotta nell'annichilazione

deve essere convertita in

spinta. Quando un elettrone e

un positrone si annichilano, l'energia è liberata sotto forma di due

raggi gamma che si propagano in direzioni opposte. L'annichilazione

protone-antiprotone produce particelle a vita breve chiamate pioni

ad alta energia. Queste particelle potrebbero essere usate per

riscaldare un nucleo di tungsteno sul quale è stato fatto passare

l'idrogeno. L'espansione termica dell'idrogeno fornirebbe la spinta.

Un motore capace di sfruttare un campo magnetico per dirigere

i pioni stessi come propellente sarebbe molto più efficiente, ma la

spinta complessiva sarebbe molto più bassa a causa della piccola

quantità di propellente che si ricaverebbe con questo metodo.

Howe e Jackson hanno proposto un terzo metodo, in cui le

pastiglie di antimateria verrebbero sfruttate per spingere un

sistema di vele. La vela sarebbe costituita da carbonio rivestito di

uranio, e i nuclei di uranio sarebbero stimolati alla fissione nucleare

quando le pastiglie solide di antidrogeno vengono sparate contro

la vela. L'espulsione dei prodotti di fissione spingerebbe la vela, che

trascinerebbe con sé l'astronave. Se gli antiatomi siano in grado

di stimolare la fissione in modo efficiente, è però, per il momento,

materia di pura speculazione.

FANTASPAZIO? Nella propulsione

ad antimateria, pastiglie di

antimateria scatenano reazioni

di fissione nucleare in una vela

rivestita di uranio.

particelle chiamate pioni. Tutte queste particelle si possono rive-lare in modo relativamente semplice. Ogni volta che i rivelatorivedono i raggi gamma e i pioni che si originano dallo stesso puntonella parete nello stesso istante, i ricercatori sanno che un atomodi antidrogeno è stato creato e poi distrutto.

Ma le cose non sono sempre così semplici. Alcune annichi-lazioni di antiprotoni producono una pioggia di positroni, chea loro volta producono raggi gamma da 511 keV, due dei qualipossono essere rivelati. Un antiprotone isolato può così imitareil segnale dell'antidrogeno. Il livello di falsi segnali deve esseremisurato e dedotto dai dati.

Il gruppo di ATRAP usa una tecnica molto diversa, che eliminail rumore di fondo: si conteggiano solo gli atomi di antidrogenoche viaggiano lungo l'asse della trappola cilindrica e sono debol-mente legati (tutti quelli che viaggiano in altre direzioni o in statilegati più fortemente sfuggono senza essere rivelati). Questi antia-tomi neutri passano tranquillamente attraverso una barriera dipotenziale che blocca tutti gli antiprotoni parassiti che non fannoparte di un antiatomo. Poi gli antiatomi incontrano un intensocampo magnetico che separa l'antiprotone e il positrone. Infine,gli antiprotoni sono catturati in un'altra trappola magnetica. Dopoun periodo di raccolta, questi antiprotoni vengono liberati e rive-lati attraverso la loro annichilazione sulle pareti circostanti.

Quando non ci sono positroni nella trappola di ricombinazione,non vengono rivelati antiprotoni, il che prova che gli antiprotonida soli non possono superare la barriera di potenziale per cadere

nella trappola lontana. Il conteggio che si fa quando ci sono posi-troni è perciò il conteggio degli atomi neutri di antidrogeno cherisultano essere debolmente legati e che viaggiano nella giustadirezione. Non c'è da tener conto di alcun rumore di fondo.

Nel 2004, in un'ingegnosa rielaborazione di questa tecnicadi base, ATRAP ha raccolto informazioni sulla velocità dei suoiatomi di antidrogeno, o in altre parole sulla loro temperatura. Ilrisultato era un po' scoraggiante: gli atomi prodotti e rivelati daATRAP hanno una temperatura di 2400 kelvin, molto più alta dei4,2 kelvin dei componenti della trappola raffreddata a elio liquido.Per poter effettuare un'indagine spettroscopica dettagliata degliantiatomi occorre che siano sotto gli 0,5 kelvin, in modo da poterliaccumulare in una trappola ad atomi neutri e studiarli osservandoin che modo assorbono fasci laser di varie frequenze.

Produzione a controllo laser

Nel tentativo di creare antiatomi a temperatura più bassa, lacollaborazione ATRAP ha sviluppato un sistema a controllo laserper la produzione di antidrogeno. Questo sistema non fa uso diuna trappola di ricombinazione, ma mantiene positroni e anti-protoni in buche di potenziale contigue ma separate. Una catenadi reazioni, che ha inizio con un fascio di atomi di cesio eccitatida un laser, trasferisce i positroni agli antiprotoni per formarel'antidrogeno. La catena di reazioni è progettata per trasferireall'antiatomo che si è formato un'energia molto bassa.

Il gruppo di ATRAP ha condotto questo esperimento solo perpoche ore alla fine della sessione sperimentale del 2004, perciònon ha avuto il tempo di ottimizzare il metodo né di raccogliereuna buona quantità di antiatomi. In effetti gli antiatomi raccoltisono stati 13. Secondo Gabrielse c'è una buona ragione per ritene-re che «questi atomi siano molto più freddi di quelli prodotti in unain una trappola di ricombinazione». Ma ne occorrono molti di più,e sarà anche necessario un passo ulteriore prima che gli antiatomipossano essere usati per i test di precisione di CPT: gli antiatomisi formano in stati altamente eccitati, e devono essere diseccitatiprima che si possa effettuare l'indagine spettroscopica.

Sempre alla fine del 2004 il gruppo di AMENA è riuscito aconfinare antiprotoni in una sottile, densa colonna al centro dellatrappola. Questa configurazione può essere molto utile per i futuriesperimenti con trappole magnetiche (che saranno necessarie pertrattenere gli atomi di antidrogeno). In un altro lavoro, i membri diAMENA hanno esaminato le proprietà del processo di produzione

dell'antidrogeno. Hanno così riscontrato cheanche quando i loro positroni si trovano a tem-peratura ambiente (300 kelvin), viene prodottauna quantità di antiatomi simile a quella che siottiene a 10 kelvin. Tutto ciò va contro le teorieche, per spiegare la formazione degli antiatomi,prevedono un numero di atomi di antidrogenoda migliaia a milioni di volte inferiore. Lan-dua crede che a stabilizzare l'antidrogeno nelplasma caldo intervenga qualche meccanismoignoto, ma Gabrielse è molto scettico. Se ilprocesso riduce effettivamente gli antiatomi alloro stato di energia più bassa, come è auspi-cabile per la spettroscopia, la scoperta sarebbe

una buona notizia in vista della verifica della simmetria CPT.I due ricercatori concordano sul fatto che produrre antidrogeno

utilizzabile per la spettroscopia è una sfida cruciale per i gruppi diricerca. Gli antiatomi devono avere due proprietà: non solo devo-no essere più freddi di 0,5 kelvin, in modo che la trappola possatrattenerli, ma devono essere anche nello stato fondamentale.

Di solito il deceleratore di antiprotoni è in funzione ogni annoda maggio a novembre, ma non nel 2005, poiché gli acceleratoridel CERN sono stati spenti come misura di risparmio economicoin seguito al superamento del budget previsto per la costruzionedi LHC. La ricerca sugli antiatomi dovrà pertanto aspettare fino almaggio 2006 prima di poter riprendere la sua battaglia per sotto-mettere il gemello malvagio dell'idrogeno.

UNO SHUTTLE AD ANTIMATERIA

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444 /agosto 2005

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