Gli atomi a pera e l'antimateria

Exotic atoms hold clues to unsolved physics puzzle at the dawn of the universe

Rappresentazione grafica di un nucleo di un atomo esotico a forma di pera. (Credit: Liam Gaffney e Peter Butler, University of Liverpool).

LIVERPOOL – Un team internazionale di fisici ha trovato la prima prova diretta dell’esistenza di nuclei a forma di pera in atomi esotici. I risultati potrebbero avanzare l’ipotesi della presenza di una nuova forza fondamentale in natura che potrebbe spiegare perché dopo il Big Bang si è prodotta più materia che antimateria. (Riporto qui l’articolo che è comparso su cyberscienza.it il giorno 8/05/2013). 

Se al momento del Big Bang sono state prodotte la stessa quantità di materia e di antimateria, tutto si sarebbe annichilato e non ci sarebbero galassie, stelle e pianeti. Non ci saremmo nemmeno noi. Il numero del 9 maggio di Nature ospita un articolo intitolato “Studies of nuclear pear-shapes using accelerated radioactive beams” in cui si dimostra questa tesi.

Le particelle di antimateria hanno la stessa massa ma carica opposta rispetto alle loro controparti di materia. L’antimateria è rara nell’Universo conosciuto, viene ad essere e perisce dentro e fuori nei raggi cosmici, e negli acceleratori di particelle del CERN, come il Large Hadron Collider. La causa di questo squilibrio tra materia e antimateria è oggi sconosciuta. Non è prevista dal Modello Standard che descrive il comportamento delle particelle e le quattro forze fondamentali o interazioni che governano il comportamento della materia. In modo molto sintetico si può dire questo: la gravità attrae i corpi massicci tra loro, l’elettromagnetismo regola le forze sui corpi carichi elettricamente, le interazioni nucleari forti e deboli interessano i nuclei atomici, legando insieme neutroni e protoni,  determinando anche i processi di decadimento.

Exotic atoms hold clues to unsolved physics puzzle at the dawn of the universe

Rappresentazione grafica delle geometrie 220Rn e 224Ra. (Credit: Nature, doi:10.1038/nature12073).

I fisici sono alla ricerca dei segni di una nuova forza o interazione che potrebbe spiegare il dislivello tra materia e antimateria. La prova della sua esistenza sarebbe stata rivelata misurando l’inclinazione dell’asse dei nuclei di alcuni elementi radioattivi, come il radon, e comparandola con il loro momento angolare o spin. I ricercatori hanno confermato che i nuclei di questi atomi sono a forma di pera e non somigliano ai più tipici profili sferici del cocomero o all’ellittica dell’arancio. La forma di pera rende gli effetti della nuova interazione molto più forti e più facili da rilevare.

La forma a pera è speciale. Significa che i neutroni e i protoni che compongono il nucleo, sono leggermente spostati rispetto all’asse interno. I nuclei a forma di pera sono sbilenchi perché i protoni vengono spinti lontano dal centro del nucleo da forze nucleari, che sono fondamentalmente diverse dalle forze che agiscono su una simmetria sferica come la gravità. La nuova forza che gli scienziati stanno studiando sarebbe un ottimo espediente per spiegare l’allineamento dello spin alla rotazione di carica in questi nuclei a forma di pera: resta ovviamente da capire le relazioni tra questa “simmetria” e l’”asimmetria” tra materia e antimateria. Per determinare la forma dei nuclei, i ricercatori hanno prodotto fasci esotici – di breve durata – di atomi di radon grazie all’ISOLDE del CERN. I fasci atomici sono stati accelerati e distrutti in nichel, cadmio e stagno, ma a causa della forza repulsiva tra i nuclei carichi positivamente le reazioni nucleari non sono possibili. I nuclei invece sono stati interessati da un aumento dei livelli di energia concomitante alla produzione di raggi gamma che hanno rivelato la forma a pera di alcuni nuclei.

I risultati contraddicono alcune teorie sul funzionamento dei nuclei ma aiuteranno ad affinare le nostre conoscenze sugli altri, soprattutto per quanto riguarda gli EDM atomici (i momenti di dipolo elettrico); soprattutto in Nord America e in Europa si stanno sviluppando nuove tecniche per sfruttare le proprietà speciali del radon e dei radio isotopi. La ricerca è stata condotta dal Dipartimento di Fisica dell’Università di Liverpool ed è stata coordinata dal Prof. Peter Butler. “La nostra aspettativa è che i dati dei nostri esperimenti di fisica nucleare possano essere combinati con i risultati dei esperimenti atomici di cattura e di misurazione EDM per rendere i test sul Modello Standard più rigorosi, e giungere ad una comprensione più profonda della natura degli elementi costitutivi del nostro Universo”, ha concluso Peter Butler. (Fonte:phys.org/news/2013-05-exotic-atoms-clues-unsolved-physics.html).

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