“ELENA di Ginevra”: il fascino è di casa al CERN! Elena, la più bella della Grecia. Molti i pretendenti alla mano della figlia di re Tindaro. Sposa di Menelao, desiderio di Paride, fedifraga amante a Cranae e causa scatenante di una guerra. Quel fascino intrigante raccontato dalla mitologia classica accese probabilmente i pensieri dei greci mentre oggi un nuovo fascino, di natura fisica e matematica, muove i desideri e le speranze di parte della comunità scientifica.
Autore: Rocco Vilardi "Dipartimento di Fisica della Materia e Ingegneria Elettronica, Università di Messina Salita Sperone 31, I-98166 Messina, Italia"
Giugno 2011, al CERN council nasce ELENA: Extra Low Energy Antiproton Ring, “Anello per antiprotoni dalla bassissima energia” http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2011/PR20.11E.html.
Il CERN, organizzazione europea per la ricerca nucleare, è ormai da circa mezzo secolo un punto di riferimento per la fisica mondiale.
Negli ultimi anni, in particolare, ha dato notevolissimo impulso alla fisica nucleare in particolar modo grazie alla messa in opera del Large Hadron Collider, imponente collisore adronico grazie al quale vengono fatte scontrare particelle ad energie elevatissime.
La ricerca del bosone di Higgs e di particelle supersimmetriche, la ricerca di extra-dimensioni e di nuove interazioni fondamentali sono alcuni degli studi di punta del CERN che lo rendono uno degli attori principali della ricerca nucleare.
Sebbene possa sembrare paradossale e controintuitivo, al CERN non si studiano solo le altissime energie. ELENA di Ginevra ne è un esempio. ELENA è disegnato, concepito, studiato per decelerare antiprotoni.
Una delle ragioni risiede nell'antiprotone (che è anche una delle parole che contribuiscono alla formazione dell'acronimo ELENA).
1. ANTIMATERIA ED ESPERIMENTO ALPHA
Allo scopo di spiegare le ragioni di esistere di ELENA, facciamo un salto indietro nel tempo di circa 83 anni. Un giovane ventiseienne e la storia di una equazione, un giovane un po’ timido e chiuso e un’equazione che abbraccia e descrive i fermioni, una delle due grandi tipologie di particelle elementari, un giovane da cui potresti ricevere risposte monosillabiche http://www.booksblog.it/post/5223/la-splendida-biografia-di-paul-dirac e un’equazione dalla eloquente bellezza matematica.
2 gennaio 1928, la rivista Proceedings of the Royal Society A riceve un articolo che avrebbe rivoluzionato la fisica moderna http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/117/778/610.
Paul Adrien Maurice Dirac, geniale fisico e matematico britannico, è autore di una equazione, l’equazione di Dirac, la cui correttezza implica, fra le altre cose, l’esistenza dell’antimateria.
Ciò che sarebbe potuto apparire un esotico e bizzarro divertimento teorico si concretizzò quando, nel 1932, il giovane fisico americano Carl David Anderson rese pubblica la scoperta del positrone, particella d’antimateria corrispondente all’elettrone.
Carica elettrica dell’antielettrone esattamente opposta di quella dell’elettrone, le caratteristiche fisiche del positrone ricordano molto da vicino quelle dell’elettrone tanto da poter pensare una particella come una sorta di alter ego dell’altra.
Ma, se è possibile produrre particelle di antimateria corrispondenti dell’elettrone, perché non cercare di produrre particelle d’antimateria questa volta corrispondenti ad altre particelle elementari oggi note?
1 novembre 1955, la rivista Physical Review pubblica un articolo a firma di Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand e Thomas Ypsilantis in cui è resa di pubblico dominio la scoperta dell’antiprotone.
La scoperta dell’antiprotone spalanca una prospettiva sperimentale interessantissima: la produzione del primo antiatomo. Se l’elettrone e il protone sono i costituenti dell’atomo più semplice, le loro controparti d’antimateria, il positrone e l’antiprotone, si candidano a costituenti degli anti-idrogeni.
Tale speculazione trovò verifica sperimentale quando nel 1995 il CERN produsse i primi atomi di anti-idrogeno http://physicsworld.com/cws/article/news/45912.
Grazie a LEAR, Low Energy Antiproton Ring (Anello per antiprotoni dalla bassa energia) in 3 settimane furono prodotti 9 atomi di anti-idrogeno sfruttando collisioni fra antiprotoni e atomi di xeno http://public.web.cern.ch/public/en/about/History95-en.html, http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases1996/PR01.96EAntiHydrogen.html.
L’importanza di tali ricerche è resa evidente dalla circostanza per cui gli atomi sono i costituenti chiave della materia.
La chimica, la biologia, la fisica devono moltissimo allo sviluppo della fisica atomica. Quanto, dunque, ricerche sugli antiatomi potrebbero consentirci di sviluppare la scienza e la tecnica?
Nell’ottica dello studio dell’antimateria e, in particolar modo dell’anti-ideogeno, il CERN conferma la propria leadership mondiale anche grazie ad ALPHA, Antihydrogen Laser Physics Apparatus.
Il 5 giugno 2011 la prestigiosa rivista Nature Physics pubblica i risultati di una ricerca grazie alla quale l’esperimento ALPHA è riuscito a intrappolare 309 atomi di anti-idrogeno per 1000 secondi http://www.nature.com/nphys/journal/v7/n7/full/nphys2025.html, http://physicsworld.com/cws/article/news/46216, http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1104/1104.4982.pdf .
Tale risultato migliora notevolmente le prestazioni di una ricerca analoga che, pubblicata poco meno di sette mesi prima, è riuscita a confinare 38 atomi per circa 172 millisecondi http://www.nature.com/nature/journal/v468/n7324/full/nature09610.html e che ha fornito la prima dimostrazione sperimentale della capacità di intrappolare anti-idrogeno.
Le ragioni che sottendono gli studi relativi all’intrappolamento di anti-idrogeno sono numerose e profonde. Come riportato sul sito web del progetto ALPHA, “By precise comparisons of hydrogen and antihydrogen, the experiment hopes to study fundamental symmetries between matter and antimatter” (citazione esatta da http://alpha-new.web.cern.ch/) ovvero, in italiano, “dal confronto accurato di idrogeno e anti-idrogeno, l’esperimento spera di studiare le simmetrie fondamentali fra materia e antimateria”. Uno dei concetti chiave di tale frase è quello di simmetria.
Per rendere l’idea, date uno sguardo alla vostra immagine allo specchio. La vostra parvenza reale e quella specchiata sono accomunate da medesimi lineamenti, fisionomia, tratti e caratteristiche.
Simmetria: l’essenza stessa della vostra parvenza e della vostra immagine specchiata. Ma tale simmetria gode di regole particolari: la vostra mano sinistra appare allo specchio come fosse una mano destra, la vostra mano destra appare come fosse una sinistra.
Analogamente, materia ed antimateria sono soggette a ben determinate simmetrie che descrivono il passaggio dalla fenomenologia della materia a quella della antimateria.
Comprendere tali simmetrie è essenziale allo scopo di comprendere nel profondo le similarità e le diversità fra materia e antimateria. Pensate, ad esempio, al semplice gesto col quale un mancino o un destro colgono un bicchiere cilindrico (circolare retto) usando la mano preferita.
Descrivere il movimento dell’arto destro equivale a descrivere il movimento dell’arto sinistro, avendo cura di specchiarlo. Tuttavia, se la mano sinistra coglie un oggetto espressamente pensato per mancini allora il gesto compiuto potrebbe essere non banalmente quello che compierebbe la mano destra specchiata allo specchio. La conoscenza delle simmetrie è, pertanto, un validissimo strumento allo scopo di penetrare la fisica dell’antimateria.
Eppure, un’immagine allo specchio non è mai, nella realtà, un’immagine fedele. Ad oggi, non esistono specchi perfetti. Piccole imperfezioni, magari invisibili ad occhio nudo, sono presenti anche negli specchi realizzati dai migliori professionisti.
Analogamente, la simmetria fra materia e antimateria non è esatta. In altri termini, sono noti casi sperimentali in cui la simmetria è “rotta”. Un esempio eclatante, ben più che una differenza marginale, la circostanza per la quale l’universo a noi noto sinora paia possedere molta più materia che antimateria.
Quale la ragione profonda di tale asimmetria?
Nel contesto dell'analisi e del confronto dettagliato fra le proprietà di atomi e corrispondenti antiatomi la capacità di intrappolare antiatomi è un prerequisito essenziale allo scopo di condurre molte ricerche sinora mai compiute su antiatomi.
Detto in termini semplici: “se intrappoli allora studi!”.
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