Marco G. GiammarchiIstituto Nazionale di Fisica NucleareVia Celoria 16 – 20133 Milano (Italy)
[email protected]://pcgiammarchi.mi.infn.it/giammarchi/
1. Costituenti della materia2. Cos’è l’Antimateria?3. Antimateria a Terra4. Antimateria nello Spazio5. Antimateria e Big Bang
Spazio e Antimateria
1Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
2
Angeli o Demoni?
Per favore prendetemi sul serio !
Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
3
1. Costituenti della materia2. Cos’è l’Antimateria?3. Antimateria a Terra4. Antimateria nello Spazio5. Antimateria e Big Bang
Cosa abbiamo imparato (a scuola) ?
• Materia composta da costituenti fondamentali: molecole, atomi, nuclei
Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
Ossigeno
IdrogenoIdrogeno
m1010
m1410
m1010 quark
quark
quark
PROTONE
Costituenti fondamentali della materia: Quark e Leptoni
Hanno spin e carica ben definiti
Sono elementari al meglio di 10-18 m
Costituiscono la materia in condizioni ordinarie
Costituiscono le particelle instabili
4Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
Massa
Materia ordinaria
Decadono in particelle stabili
Come si studiano le particelle elementari? Ad esempio in esperimenti con acceleratori di particelle.
Tunnel di LHC, CERN (Ginevra)
Ricetta:
• prendere particelle cariche
• accelerarle con sistemi elettrici e magnetici (acceleratori)
• farle urtare tra loro
Nei grandi laboratori sistemi complessi di acceleratori portano particelle a energie elevatissime
Negli urti tra queste particelle, altre particelle vengono prodotte. Massa si trasforma in energia e viceversa
6Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
pp Urto tra due protoni !
Trasformazione di energia (dei protoni) in massa di nuove particelle
Gli urti tra due protoni sono in realta’ urti tra i quark costituenti
PROTONE
PROTONE
Esperimenti su particelle ai grandi acceleratori:CMS al CERN di Ginevra
CDF al Fermilab (Chicago)
Sistemi complessi composti da rivelatori specializzati
8
Un mondo di particelle fondamentali e forze tra particelle fondamentali
In fisica quantistica
• Scambio di quanti
Il concetto di forza
In fisica classica:
• Azione istantanea a distanza• Campo (Faraday, Maxwell)
2
kFr
10
1. Costituenti della materia2. Cos’è l’Antimateria?3. Antimateria a Terra4. Antimateria nello Spazio5. Antimateria e Big Bang
Una prima risposta: cambiare la carica elettrica di tutti?
Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
Una banalita’: lo scambio di tutte le cariche delle particelle
Problemi:
1)Le strutture complesse?(un atomo, una molecola)
2) Le particelle neutre?
11Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
Facciamo un passo indietro e ricordiamoci che tutto è costituito da particelle (considerate) elementari
Velocita’ bassev << c
Velocita’ altev simile a c
Sistema macroscopico
PienamenteClassico
Relativistico (non quantistico)
Sistema atomico
Quantistico (non relativistico)
Quantistico Relativistico
?
12
Particelle e antiparticelle: la “nascita” della fisica delle particelle
1928: Equazione di Dirac, sintesi di Relatività Speciale e Meccanica Quantistica.Una Equazione relativisticamente invariante per particelle a spin ½.
0)( mi Le soluzioni nel sistema a riposo sono 4 stati:
• E>0, s=+1/2• E>0, s=-1/2• E<0, s= +1/2• E<0, s= -1/2
Reinterpretando gli stati a energia negativa come antiparticelle dell’elettrone:
Elettrone, s=+1/2Elettrone, s=-1/2Positrone, s=1/2Positrone, s=-1/2
Il positrone, particella identica all’elettrone e- ma avente carica positiva: e+. La prima previsione della teoria quantistica relativistica
13
La prima particella di antimateria scoperta: il positrone (antielettrone)
Positroni scoperti nelle interazioni dei raggi cosmici in camere a nebbia (Anderson, 1932).
Antiparticella: stessa massa della particella ma carica (e momento magnetico) opposti
I costituenti fondamentali hanno tutti un’antiparticella !
L’esistenza delle antiparticelle: una proprietà generale (ma non universale!) delle particelle elementari
Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
14Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
Ad esempio l’antiprotone:
Ricetta per costituire antimateria:
Scomporre la materia in costituenti (particelle) elementariPrendere l’antiparticella di ogni particella elementareRimettere il tutto insieme
PROTONE: QUARKS ANTIPROTONE: ANTIQUARKS
Ad esempio l’anti-neutrone: NEUTRONE: QUARKS ANTINEUTRONE: ANTIQUARKS
15
1. Costituenti della materia2. Cos’è l’Antimateria?3. Antimateria a Terra4. Antimateria nello Spazio5. Antimateria e Big Bang
Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
Abbiamo visto l’antimateria in forma di particelle. Ma…
1)Le antiparticelle sono stabili?
2)Possiamo costruire strutture più grandi di antimateria?
L’antimateria è del tutto instabile:
Una particella di antimateria ha tutti i numeri quantici OPPOSTI a una di materia !
Appena urta la materia, tutto si trasforma in radiazione
16Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
Ad esempio, un elettrone e un positrone (antielettrone) :
e e
ee Con trasformazione di tutta la massa in energia: 2mcE
L’antimateria esplode al contatto con la materia!! Isolare bene l’antimateria dalle pareti del contenitore di materia
17Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
La costruzione di anti-atomi:
Anti-idrogeno
(Anti-deuterio)(Anti-elio)
La bottiglia di “Angeli e Demoni” è un insieme di trappole per confinare particelle cariche e metterle insieme
18
Studiare l’Antimateria sulla Terra?
Una macchina dedicata al CERN:
1)Antiproton Decelerator
2)Produzione e studio di anti-H
• Produzione anti-idrogeno
• Confinamenteo anti-H
• Gravità anti-H
• Eli antiprotonico
• Adroterapia con antiprotoni
Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
19Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
Quali sono le proprietà degli anti-atomi?
Sono fatti come gli atomi ordinari (a parte le cariche scambiate?)
Cadono come gli atomi ordinari nel campo gravitazionale terrestre?
Studio delle transizioni atomiche dell’anti-idrogeno e confronto con quelle dell’idrogeno
Come cade un antiatomo?
Test di leggi fisiche fondamentali con antimateria (CPT e Principio di Equivalenza)
20
1. Costituenti della materia2. Cos’è l’Antimateria?3. Antimateria a Terra4. Antimateria nello Spazio5. Antimateria e Big Bang
Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
Materia e antimateria in forma di particelle elementari. Particelle dallo spazio!
Raggio cosmico primario
Sciame di particelle secondarie prodotte nell’atmosfera
I raggi cosmici primari possono contenere antiparticelle ?
21Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
Esempio: una pulsar come acceleratore di particelle !
Nello spazio intervengono numerosi processi di accelerazione di particelle
22Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
Motivazioni per la ricerca di antiparticelle nello spazio
Siccome l’Universo appare composto di materia (non di antimateria):
1)L’antimateria può essere prodotta in processi strani
2) Antimateria complessa (anti-elio) può indicare stelle di antimateria !!
La presenza dei positroni potrebbe indicare il decadimento di particelle di materia oscura
23Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
AMS: Alpha Magnetic Spectrometer
Ricerca antiparticelle nello spazio
Lanciato nel Maggio 2011
Residente sulla Stazione Spaziale
24
1. Costituenti della materia2. Cos’è l’Antimateria?3. Antimateria a Terra4. Antimateria nello Spazio5. Antimateria e Big Bang
Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
La creazione di Adamo – Michelangelo Buonarroti (1511). (Musei Vaticani - La Cappella Sistina)
Lo schema con cui si descrive la nascita e l’evoluzione dell’Universo è quello del
BIG BANG CALDO
Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 25
Il modello del Big Bang:
1) Il red-shift (espansione cosmica)2) La nucleosintesi primordiale3) La radiazione cosmica di fondo4) La Relatività Generale5) L’Inflazione
Osservazioni sperimentali
Teoria della Gravitazione
Se l’Universo è in espansione, nei primi istanti ci si doveva trovare in una situazione di densità altissima, temperatura altissima, energia/particella altissima
26Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
Una storia termica dell’universo
Particelle/Antiparticelle libere
27Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
Una storia termica dell’universo
Particelle/Antiparticelle libere
ee
ee
pp
Queste reazioni creano e distruggono particelle/antiparticelle in ugual numero
NOee
ee
Quando l’energia scende non è più possibile creare coppie particella/antiparticella. Invece tali coppie si possono distruggere:
28Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
Una storia termica dell’universo
Particelle/Antiparticelle libere
Reazioni di questo tipo dovrebbero aver mantenuto uguale il numero di particelle e antiparticelle
ellaantiparticparticellaenergiaenergiaellaantiparticparticella
)2)1
Al diminuire di T solo la 1 resta possibile e tutte le particelle/antiparticelle si annichilano in energia
29Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
Ma l’Universo non è vuoto. Contiene MATERIA e non ANTIMATERIA !
Un processo fisico ha alterato il rapporto tra materia e antimateria nei primi istanti, creando un poco (pochissimo) di materia in più
Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
Lo studio delle proprietà di antiparticelle e particelle può risolvere uno dei misteri più profondi del cosmo.
cml 1810 Mpcl 4300
st 2310 yt 9108.13
Grazie per la vostra attenzione