Alla scoperta dell'antimateria

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Tutto ciò che ci circonda è fatto di materia. Ma se la materia è ovunque attorno a noi, che cosa è l'antimateria? Cerchiamo di rispondere in modo semplice alla domanda.
La fisica quantistica ha dimostrato che tra le particelle esiste una simmetria: per ciascuna di esse può essercene una simmetrica, avente la stessa massa, ma una carica elettrica opposta e altre proprietà uguali, oppure uguali ma con segno opposto. A ogni particella corrisponde quindi un' “antiparticella”; così l’elettrone ha come antiparticella una particella di carica positiva: il positrone; il protone ha l’antiprotone, e così via. Però la distinzione tra particella e antiparticella è del tutto convenzionale. Sono chiamate “particelle” quelle che si trovano in superiorità nel nostro ambiente fisico, come gli elettroni e i protoni. In tale ambiente le loro antiparticelle scompaiono per annichilazione. Quando una particella e la sua antiparticella si incontrano, si annichilano in energia pura, ovvero si ha trasformazione della materia coinvolta in radiazione elettromagnetica sotto forma di fotoni ad alta energia (raggi gamma), oppure le particelle coinvolte si trasformano in altre coppie di particelle-antiparticelle, in ogni caso tali che la somma dell'energia totale, precedente e seguente l'evento, rimanga costante, in accordo al principio di conservazione della massa-energia. Questa energia può dar vita a particelle, prive di carica, mediatrici di forza, come fotoni, bosoni o gluoni.
Il simbolo di un'antiparticella è un trattino (barra) sopra il simbolo della corrispondente particella materiale. Per generare le antiparticelle si può produrre un urto tra due particelle ad alta energia. In questo caso una parte di energia si converte in materia e antimateria.

L'equazione di Dirac e la scoperta del positrone
Per chiarire meglio l’esistenza delle antiparticelle torniamo indietro nel tempo.
L’inizio del ventesimo secolo fu un periodo molto importante per la fisica. Albert Einstein, infatti, nel 1905 presentò la teoria della relatività ristretta, mentre negli anni venti Erwin Schrödinger e Werner Heisenberg proposero la teoria quantistica, ma queste due teorie non erano collegate.
Dobbiamo attendere solo il 1928 per vedere combinate la teoria quantistica con la relatività generale, quando Paul Dirac introdusse un’equazione che, però, aveva il problema di prevedere un elettrone con carica positiva e uno con carica negativa, il che andava contro alla teoria classica secondo la quale, per gli elettroni, non erano previste cariche positive. Dirac, nella sua teoria, si riferiva in particolare al moto degli elettroni immersi in campi elettrici e magnetici. Questa teoria descriveva i risultati delle misure sperimentali in modo veramente molto preciso e portò a una conclusione importante: l’elettrone doveva avere una “antiparticella”, con la stessa massa, ma con carica elettrica opposta a quella negativa del normale elettrone, quindi positiva. L’idea definitiva fu che ogni particella dovesse avere una sua corrispondente antiparticella, con la stessa massa, ma con carica opposta. La previsione di Dirac fu confermata sperimentalmente nel 1932, quando il fisico americano Carl David Anderson trovò nei raggi cosmici la presenza di una particella che si comportava come un elettrone ma che aveva la positiva: era l’antielettrone, chiamato anche positrone.

La scoperta dell'antiprotone e di altre antiparticelle
Per scoprire l’antiprotone, cioè l’antiparticella del protone, si dovette aspettare la costruzione di potenti acceleratori di particelle in grado di accelerare protoni o elettroni fino a ottenere energie elevate.
Negli anni Cinquanta un acceleratore in California raggiunse energie sufficienti a produrre antiprotoni e antineutroni. In seguito gli acceleratori del Cern di Ginevra osservarono l’antideutone e successivamente gli antinuclei antielio 3 e antitrizio.
Inoltre al Cern sono stati prodotti antiatomi di anti-idrogeno (anti-H = anti-p + e+) decelerando antiprotoni e antielettroni e tenendoli "imbottigliati" nel vuoto per mezzo di campi magnetici. L'anti-idrogeno è più difficile da "intrappolare" perché elettricamente neutro: la maggior parte degli anti-idrogeni raggiunge una parete dove annichila con un atomo del mezzo.

Le ricadute tecnologiche: la PET
Oggi l’antimateria è usata in medicina per analizzare lo stato del cervello per mezzo della PET (Positron Emission Tomography). Essa è utilizzata in oncologia, in cardiologia e nelle neuroscienze. I positroni, ottenuti dal decadimento di nuclei radioattivi, vengono incorporati in un fluido iniettato per via endovenosa. I positroni annichilano con gli elettroni degli atomi vicini e danno luogo a due raggi gamma emessi in direzioni opposte. Tali raggi sono raccolti da rivelatori disposti ad anello attorno al paziente per capire dove si è distribuito il radiofarmaco nel corpo.
Molte antiparticelle attorno a noi sono prodotte dai raggi cosmici che provengono dallo spazio in tutte le direzioni e che sono composti soprattutto da protoni e da nuclei di elio. Quando raggiungono l’alta atmosfera terrestre i raggi cosmici collidono con i nuclei di azoto e di ossigeno dell’aria. La collisione produce nuove particelle e antiparticelle.

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