Lo spin e l'antimateria

Schema dell’esperimento con la bottiglia magnetica per studiare lo spin dei protoni. (Crediti:2013 Stefan Ulmer, RIKEN Ulmer Initiative Research Unit).

Uno dei più grandi misteri della fisica moderna è lo squilibrio tra materia e antimateria nell’Universo. Un significativo passo avanti, che potrebbe consentire la misurazione diretta delle differenze tra una particella e la sua antiparticella, potrebbe venire da una collaborazione internazionale coordinata da da Stefan Ulmer dell’Unità di Ricerca RIKEN. Il team ha sviluppato un metodo che ora rende possibile osservare il riorientamento del momento magnetico di un singolo protone. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Letters.

Mentre della materia abbiamo una nozione anche intuitiva, prima che fisica, l’antimateria è un concetto alquanto oscuro. Secondo le teorie ora in voga, durante il Big Bang è stata prodotta la stessa quantità di materia e di antimateria. Quando materia e antimateria si incontrano si annichilano a vicenda. Mentre l’universo si raffredda il grande mistero è: perché non tutta la materia trova l’antimateria in modo di annichilarsi a vicenda? C’è un sacco di materia e di antimateria e non si sa il perché. Un lieve squilibrio a favore della materia ha causato l’annichilamento di gran parte dell’antimateria, rendendo possibile la formazione di un universo stabile composto quasi esclusivamente da materia. Per questa ragione, secondo l’opinione prevalente tra gli scienziati, l’antimateria non sembra essere presente in grandi quantità nell’universo conosciuto dall’uomo. La prima seria ipotesi dell’esistenza dell’antimateria risale al 1928 ad opera del fisico Paul Dirac che dedusse l’esistenza dell’antiparticella dell’elettrone (dotata di carica positiva) quale soluzione della versione relativistica dell’equazione di Schrödinger (la famosa equazione di Dirac).

Nel 1932 l’esistenza dell’antimateria è stata confermata a livello empirico dagli esperimenti di Carl David Anderson. Oggi i fisici possono osservare l’antimateria solo grazie agli acceleratori di particelle. L’antimateria è, infatti, un agglomerato di antiparticelle i cui atomi sono composti da un nucleo a carica negativa (antiprotone) e da antielettroni (positroni) a carica positiva che vi orbitano intorno. Gli atomi dell’antimateria si distinguono da quelli della materia ordinaria per la carica opposta rispetto a quella del neutrone e dell’elettrone. Quando una particella di materia e una antiparticella di antimateria entrano in contatto diretto tra loro si annichilano a vicenda emettendo fotoni ad alta energia (sotto forma di raggi gamma) o altre coppie di particelle-antiparticelle, tali che la somma dell’energia totale, precedente e seguente l’impatto, rimanga costante

Il segreto del perché la materia e antimateria non si trovano in proporzioni uguali potrebbe risiedere in piccole differenze, fino ad oggi impercettibili, tra le proprietà delle particelle e le corrispondenti antiparticelle. Una delle proprietà sotto esame è il momento magnetico, che orienta la particella in un campo magnetico. Nel caso più elementare, i momenti magnetici o spin hanno due opzioni: su o giù. Il passaggio tra questi due stati può essere indotto da onde radio, producendo un effetto osservabile che può quindi essere misurato. Il gruppo di ricerca ha utilizzato una trappola – una sorta di bottiglia magnetica – per catturare i singoli protoni e misurare lo spin.

“Effetti simili possono essere causati, invece, da altri meccanismi, molto più forti che non hanno nulla a che fare con le transizioni che stiamo cercando”, spiega Stefan Ulmer. “Abbiamo ottimizzato i nostri metodi di impostazione e di analisi sperimentale e, al punto in cui siamo, possiamo rilevare in modo inequivocabile, per la prima volta, il reindirizzamento di singoli protoni”. Il passo successivo è quello di sviluppare lo stesso sistema di misurazione per gli antiprotoni prodotti da un acceleratore di particelle; a questo scopo, il team sta già costruendo un apparato sperimentale per collaborare con il CERN di Ginevra per avviare una serie di esperimenti congiunti. (Fonte:phys.org/news/2013-06-magnetic-flipping-proton-heralds-high-precision.html. Pubblicato su cyberscienza.it il 16/05/2013).

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