ANTIMATERIA

ANTIMATERIA

Ha il nome di a. una forma di materia, simile alla materia ordinaria, in cui però ogni particella è sostituita dalla sua antiparticella: protone da antiprotone, neutrone da antineutrone, elettrone da positrone. La materia ordinaria, di cui sono costituiti i corpi terrestri, è composta di atomi. Come è noto, gli atomi hanno un nucleo in cui è concentrata la massima parte della massa atomica e un certo numero di elettroni, Z. Gli elettroni sono tutti identici, hanno carica elettrica negativa e = 4,803 • 10^-10 u.e.s. e massa m = 9,109 • 10^-28 gr. Il nucleo atomico è costituito da un certo numero di protoni, precisamente uguale al numero degli elettroni, e da un certo numero di neutroni. Il protone ha carica elettrica positiva, uguale in grandezza a quella dell'elettrone, e massa 1836 volte più grande della massa dell'elettrone; il neutrone è elettricamente neutro e ha massa molto prossima a quella del protone.

La teoria moderna delle particelle elementari richiede, e il risultato è stato verificato sperimentalmente, che per ogni particella esista una antiparticella. Le relazioni tra particella e antiparticella sono indicate nella tabella e definiscono l'antiparticella di una particella data. Lo spin isotopico e la sua terza componente sono numeri quantici intrinseci della particella, indipendenti dal suo moto. Le interazioni tra particelle e quelle tra le corrispondenti antiparticelle sono identiche per il caso delle interazioni nucleari forti e per il caso delle interazioni elettromagnetiche; per il caso delle interazioni deboli, come quelle del decadimento β, sono strettamente simili essendo eguali in grandezza, ma riflesse specularmente: o, in altre parole, rispetto a un'interazione debole una particella non si comporta identicamente alla sua antiparticella ma alla di lei immagine speculare. Questi fatti hanno per conseguenza che antiparticelle possono combinarsi tra di loro in modo perfettamente simile a quello in cui si combinano particelle ordinarie e quindi possono formare antiatomi e in genere antimateria. Per quanto non vi sia dubbio sulla possibilità di formare in laboratorio della vera e propria antimateria, va rilevato che per ora si sono formate solo antiparticelle libere. Un atomo di antiidrogeno o di antideuterio non è mai stato osservato, e naturalmente ancor più difficile è ottenere atomi più complessi di antimateria. La ragione è che le difficoltà pratiche di preparazione sono immense.

Fin dal 1930 il fisico inglese P. A. M. Dirac formulò una teoria relativistica dell'elettrone che porta a un'equazione d'onda con due tipi di soluzioni: uno corrispondente in tutto e per tutto all'elettrone ordinario di carica elettrica negativa, l'altro a particelle, allora sconosciute, di massa eguale a quella dell'elettrone, ma di carica opposta. Queste particelle, chiamate ora positroni, furono osservate da C. D. Anderson. nei raggi cosmici, nel 1932.

La teoria di Dirac nella sua forma originaria dà luogo a livelli energetici come in fig. 1. I livelli a energia positiva corrispondono agli elettroni ordinarî. Dirac fece l'ipotesi che nel "vuoto" (ossia in una regione di spazio in cui non vi sia materia secondo la nostra ordinaria esperienza), tutti i livelli a energia negativa siano occupati, ciascuno, a causa del principio di esclusione di Pauli, da una e una sola particella. Se si fornisce al vuoto un'energia superiore a 2mc² (essendo c la velocità della luce nel vuoto) può prodursi la situazione simbolicamente rappresentata in fig. 1b in cui si ha un "buco" tra i livelli a energia negativa e un livello a energia positiva occupato. Questa situazione corrisponde alla creazione simultanea di una coppia elettrone-positrone. Il "buco" corrisponde a quest'ultimo. Da queste considerazioni è chiaro che elettrone e positrone possono essere creati solo in coppie. In pratica tale creazione può ottenersi irradiando un nucleo pesante con raggi X di energia sufficiente.

Il processo inverso alla creazione di una coppia è la sua annichilazione: un elettrone e un positrone si combinano dando luogo a due quanti di luce. In tutte queste trasformazioni, energia, momento, carica elettrica, momento angolare devono conservarsi.

La teoria di Dirac prevede anche un momento meccanico intrinseco ℏ/2 (ℏ = costante di Planck divisa 2 π = 1,054 • 10^-27 erg. sec) e un momento magnetico intrinseco e ℏ/2mc sia per l'elettrone sia per il positrone; l'orientazione relativa del momento meccanico e del momento magnetico per le due particelle è però opposta. Tutti questi risultati sono stati verificati sperimentalmente.

È naturale che si sia cercato di estendere la teoria di Dirac ai nucleoni, cioè al protone e al neutrone. A una immediata letterale estensione si oppone il fatto che il momento magnetico del protone ha un valore diverso da e ℏ/(2m_pc) (m_p massa del protone) come la teoria di Dirac porterebbe a prevedere e che il momento magnetico del neutrone è diverso da zero, mentre dovrebbe essere nullo secondo la teoria di Dirac nella sua forma originaria. Tuttavia è possibile generalizzare la teoria di Dirac attribuendo l'anomalia dei momenti magnetici a effetti mesonici, e conseguentemente ci si può attendere che esistano antiprotoni e antineutroni corrispondenti a protoni e neutroni secondo lo schema della tabella.

Effettivamente l'antiprotone è stato scoperto nel 1955 da O. Chamberlain, E. Segrè, C. Wiegand e T. Ypsilantis. Essi lo hanno generato artificialmente con un bombardamento di protoni accelerati a 6 • 10⁹ eV nel bevatrone del Laurence Radiation Laboratory di Berkeley. Servendosi di questi antiprotoni sono stati formati anche antineutroni, identificati come tali nel 1956 da B. B. Cork, G. R. Lambertson, O. Piccioni e W. A. Wenzel nello stesso laboratorio. Nell'esperienza originale, illustrata nella fig. 2, gli antiprotoni generati mediante bombardamento protonico di un bersaglio sono misti a un gran numero di altre particelle: mesoni e π e μ, elettroni. Tutte queste particelle sono deviate da un campo magnetico e incanalate in un fascio. Il fascio a causa della selezione operata colla deviazione magnetica contiene solo particelle aventi carica elettrica eguale a quella dell'elettrone e un momento determinato. Misurando il "tempo di volo" tra due contatori si viene ad avere anche la velocità delle particelle, che, insieme al momento, ne determina la massa. In questo modo si hanno carica e massa della particella, e ciò basta a identificarla; inoltre anche l'annichilazione è stata osservata sulle stesse particelle (v. fig. 3). Per l'antineutrone questo metodo non è direttamente applicabile. Seguendo la proposta di Chamberlain, Segrè, Wiegand e Ypsilantis, si possono però generare antineutroni mediante la reazione nucleare:

A tal fine antiprotoni individuati secondo il metodo precedente vengono scagliati su protoni. Si osservano: la sparizione dell'antiprotone senza formazione di particelle ionizzanti e, con opportuno rivelatore, la formazione di una stella di annichilazione dell'antineutrone a breve distanza dal luogo di sparizione dell'antiprotone (vedi fig. 4).

La ragione dell'esistenza di antiparticelle è stata qui presentata seguendo Dirac. Tuttavia il concetto di antiparticella può essere generalizzato anche al caso di particelle di spin zero o intero, che non obbediscono al principio di esclusione, come p. es. i mesoni π. In tal caso viene meno però la condizione della creazione o dell'annichilazione in coppie, pur restando valide le altre relazioni indicate nella tabella.

Per le particelle neutre, l'antiparticella può essere distinta dalla particella ovvero essere identica a questa. Si avvera sempre il primo caso quando sono presenti proprietà elettromagnetiche (per es. un momento magnetico). In assenza di proprietà elettromagnetiche si possono avverare tutti e due i casi a seconda della particella: p. es., il mesone neutro è autoconiugato (cioè la particella s'identifica con l'antiparticella), mentre il neutrino ha un antineutrino distinto. Questa distinzione ha conseguenze sperimentali osservabili: per es. la non identità del neutrino con l'antineutrino si riconosce dal fatto che determinati fenomeni del decadimento β si producono in un modo diverso da quello in cui si produrrebbero se neutrino e antineutrino fossero identici.

Particelle e antiparticelle poste in interazione possono annichilarsi, sempre salvaguardando i principî di conservazione dell'energia e dell'impulso, del momento angolare, della carica elettrica, del numero di nucleoni (contando gli antinucleoni come nucleoni negativi), del numero dei leptoni (contando gli antileptoni come leptoni negativi). In questo processo di annichilazione le particelle si trasformano in altre più leggere e la differenza di massa compare come energia cinetica o d'altro tipo. Abbiamo già detto come nel caso della coppia elettrone-positrone i prodotti di annichilazione siano quanti di luce. Per i nucleoni i prodotti di annichilazione più comuni sono invece mesoni π. La ragione di questa differenza è che gli elettroni interagiscono solo attraverso il campo elettromagnetico, i cui quanti sono appunto i quanti di luce, mentre i nucleoni interagiscono anche attraverso l'interazione specifica nucleare di Yukawa i cui quanti sono appunto i mesoni π. Quest'ultima interazione soverchia completamente quella elettromagnetica, che nel confronto ha solo una probabilità piccolissima di produrre un'annichilazione nucleare. I prodotti di annichilazione dei nucleoni subiscono una rapida evoluzione spontanea trasformandosi entro pochi microsecondi in particelle con massa di riposo zero (neutrini, quanti di luce) che si allontanano colla velocità della luce dal luogo dell'annichilazione.

Antiprotoni o antineutroni traversando materia ordinaria si annichilano per solito entro tempi brevissimi (piccole frazioni di microsecondi in gas assai diluiti e meno ancora in solidi o liquidi).

È chiaro da quanto detto sopra che non si può avere antimateria altro che fuori del contatto colla materia ordinaria, ossia nel vuoto.

È interessante speculare sulla possibile esistenza di a. nell'universo. Essa non sarebbe distinguibile dalla materia ordinaria a mezzo delle osservazioni astronomiche basate tutte su onde elettromagnetiche. In ogni modo è certo che non vi è a. nel sistema solare e probabilmente nemmeno nella nostra galassia perché vi è abbastanza materia da annichilare ogni traccia di antimateria. In altre galassie isolate dalla nostra non può escludersi la presenza di antimateria. Così l'energia irradiata da alcune stelle, p. es. a Cygni, è stata attribuita in via ipotetica all'annichilazione di materia e antimateria senza peraltro dare argomenti decisivi a favore di questa ipotesi.

Infine vi è stata anche menzione di un possibile comportamento gravitazionale diverso per la materia e l'antimateria. Non vi è alcuna ragione di attendersi tale differenza secondo le presenti vedute della fisica, e argomenti indiretti basati sulle accuratissime esperienze di R. Eötvös sull'identità della massa inerte con la massa pesante in tutte le sostanze, sembrano escludere una diversità tra il rapporto della massa inerte con quella pesante per la materia e l'antimateria.

Bibl.: E. Segrè, Antinucleons, in Annual Review of nuclear science, VIII (1958).