ELENA: l'anello del CERN che rallenta gli antiprotoni

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).

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!”.

ELENA di Ginevra: schema dell'anello

Un recente dispaccio stampa del CERN riporta proprio una dichiarazione di Stéphan Maury: “ELENA is a new facility aimed to deliver antiprotons at the lowest energies ever reached in order to improve the study of antimatter” che, tradotto in italiano, significa: “ELENA è una facility che ha lo scopo di consegnare antiprotoni alle energie più basse mai raggiunte allo scopo di migliorare lo studio della antimateria”.

ELENA non è altro che un anello (vedere figura 1) aggiunto alla camera ad un preesistente deceleratore di antiprotoni, l’Antiproton Decelerator (AD).

 

Fig.1Schema anello ELENA 

Figura 1: Schema dell’anello ELENA.

(Courtesy of CERN, http://alpha-new.web.cern.ch/)

La costruzione di ELENA dovrebbe consentire di rallentare gli antiprotoni da 3.5 MeV sino a 100 KeV ovvero consentire che questi esibiscano energie un trentacinquesimo di quella iniziale http://alpha-new.web.cern.ch/.

Stando alle previsioni, tale rallentamento incrementerebbe di 10-100 volte la capacità di immagazzinare antiprotoni http://alpha-new.web.cern.ch/. In tal modo, sarà sia possibile acquisire molta più statistica relativamente agli esperimenti effettuati che di ampliare lo spettro delle ricerche effettuate.

Ad esempio, è previsto che l’esperimento Ad-4 (ACE) si occupi di “esperimenti di nanodosimetria e di studio del danno a livello di DNA in cellule individuali” (traduzione di “nano-dosimetry experiments and the study of DNA level damage in individual cells”, citazione esatta da http://cdsweb.cern.ch/record/1206242/files/SPSC-P-338.pdf).

Importanti sono le aspettative nei confronti di tale ricerca: uno studio pionieristico pubblicato nel 2006 da Radiotherapy and Oncology dimostra, infatti, che gli antiprotoni sono più efficaci dei protoni nell’irradiazione cellulare, http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167814006004798, http://cerncourier.com/cws/article/cern/29763.

Una più efficace capacità nell’irradiazione cellulare comporta, ad esempio, una migliore e più accurata capacità di irradiare cellule cancerogene.

Le notevoli ricadute di ELENA in campi diversi dalla fisica è una dimostrazione ulteriore della rilevanza di un progetto che darà proprio alla fisica il contributo maggiore.

Oggi non è noto il comportamento gravitazionale della antimateria.

L’antimateria manifesta il medesimo comportamento gravitazionale della materia? O, forse, antigravità? Ad oggi sono stati ipotizzati vari comportamenti gravitazionali della antimateria http://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_interaction_of_antimatter.

Sarà bene sottoporre a verifica le teorie proposte ed eventualmente proporne di nuove. Considerato che la relatività generale di Einstein è, ad oggi, la teoria di riferimento nella descrizione della gravità, quale impatto potrebbero avere tali ricerche su di essa? La teoria di Einstein verrà confermata o, piuttosto, si renderà necessario un suo ampliamento e/o cambiamento?

Lo studio dell’antimateria potrebbe anche consentire di porre limiti più stringenti circa il valore delle costanti fondamentali della fisica.

Conoscere con precisione il valore di tali costanti è, ad esempio, importante allo scopo di poter costruire modelli affidabili, effettuare predizioni accurate, ridurre l’incertezza di molte delle misurazioni che vengono abitualmente compiute.

Il modello standard delle interazioni fondamentali è, oggi, il quadro teorico di riferimento dei fisici nucleari. ELENA potrebbe consentire di confermarlo, metterlo in forse o addirittura, aggiornarlo.

Di particolare rilevanza fisica potranno essere le ricerche compiute allo scopo di studiare uno dei cardini della fisica moderna: la simmetria CPT.

Lo studio di tale simmetria (o della sua violazione) potrebbe dar risposta al perché l’antimateria sinora osservata nell’universo sia quantitativamente tanto inferiore rispetto alla materia.

ELENA di Ginevra: sviluppi in altri settori della scienza

Antichimica, antibiologia e altre discipline

La realizzazione di ELENA consentirà studi scientifici vitali per fisica e non solo. È realistico pensare che la maggior parte di tali studi non vadano pensati come un punto di arrivo ma di partenza.

Il 19 maggio 2011 la collaborazione STAR, Solenoid Tracker at RICH (in italiano, tracciatore solenoidale al RHIC, acronimo di Relativistic Heavy Ion Collider, collisore di ioni pesanti relativistici) pubblica su Nature la scoperta del nucleo di antimateria più pesante mai osservato: un nucleo di antielio, composto di due antiprotoni e due antineutroni 

http://www.sciencedaily.com/releases/2011/04/110424152441.htm

http://www.nature.com/nature/journal/v473/n7347/full/nature10079.html

Provate solo ad immaginare il desiderio di migliaia di scienziati di immagazzinare e studiare il primo atomo di antielio! Esperimenti che hanno visto o vedranno protagonista l’anti-elio potrebbero essere condotti anche sull’anti-idrogeno.

Tali studi potrebbero spalancare prospettive inaspettate o, magari, semplicemente espandere l’orizzonte delle possibili applicazioni tecnologiche.

Lo studio e la ricerca nel campo della antimateria pare riservare sorprese enormi: dalla prospettiva dello sviluppo di un’antichimica a possibili applicazioni in ambito medico; dal desiderio di sviluppare combustibili basati sull’annichilazione di materia e antimateria al fascino dello sviluppo dell’antibiologia.

Immaginate di poter mettere insieme tanti antimattoncini a formare il primo antiessere vivente! Chiaramente, prima di condurre studi riguardanti la vita sarebbe innanzitutto opportuno chiarire eventuali limiti etici allo sviluppo di simili applicazioni possibili. Senza dubbio, in generale, lo studio dell’antimateria potrebbe essere di enorme interesse sia dal punto di vista scientifico che tecnologico.

Non resta altro che attendere il completamento di ELENA, previsto per il 2016. Ed allora, ELENA di Ginevra, potrà fare pieno sfoggio di una bellezza dal nome “ricerca”.

Riferimenti e link

ELENA

Mitologia greca e latina Elena:

http://mitologia.dossier.net/elena.html

 

Elena (mitologia) - Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.

http://it.wikipedia.org/wiki/Elena_%28mitologia%29

 

ANTIMATERIA

Antimateria - Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.

http://it.wikipedia.org/wiki/Antimateria

 

Paul Dirac - Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.

http://en.wikipedia.org/wiki/Paul_Dirac

 

Dirac, Paul Adrien Maurice - Sapere

http://www.sapere.it/enciclopedia/Dirac,+Paul+Adrien+Maurice.html

 

Dario, “La splendida biografia di Paul Dirac”, 12 settembre 2009, - Books blog

http://www.booksblog.it/post/5223/la-splendida-biografia-di-paul-dirac

 

ANTIPROTONE

Antiprotone - Da Wikipedia, l'enciclopedia libera

http://it.wikipedia.org/wiki/Antiprotone

 

Antiproton decelerator - from Wikipedia, the free encyclopedia

http://en.wikipedia.org/wiki/Antiproton_Decelerator

 

Antiproton decelerator - CERN

http://psdoc.web.cern.ch/PSDoc/acc/ad/

 

Carl David Anderson - Nobelprize

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1936/anderson-bio.html

 

Carl David Anderson - from Wikipedia, the free encyclopedia

http://en.wikipedia.org/wiki/Carl_David_Anderson

 

Owen Chamberlain - Nobelprize

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1959/chamberlain-bio.html

 

Owen Chamberlain - from Wikipedia, the free encyclopedia

http://en.wikipedia.org/wiki/Owen_Chamberlain

 

Emilio Gino Segrè - Treccani

http://www.treccani.it/enciclopedia/percorsi/scienze_naturali_e_matematiche/segre.html/

 

Emilio Segrè - da Wikipedia, l'enciclopedia libera

http://it.wikipedia.org/wiki/Emilio_Segr%C3%A8

 

Clyde Wiegand - from Wikipedia, the free encyclopedia http://en.wikipedia.org/wiki/Clyde_Wiegand

 

Thomas Ypsilantis - Deseret News

http://www.deseretnews.com/article/802715/Obituary-Dr-Thomas-J-Ypsilantis.html

 

Thomas Ypsilantis - from Wikipedia, the free encyclopedia

http://en.wikipedia.org/wiki/Thomas_Ypsilantis

 

ANTI-IDROGENO

1. Primi atomi di anti-idrogeno: http://physicsworld.com/cws/article/news/45912; http://public.web.cern.ch/public/en/about/History95-en.html; http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases1996/PR01.96EAntiHydrogen.html;

 

2. 309 atomi di anti-idrogeno per 1000 secondi: http://physicsworld.com/cws/article/news/46216 - http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1104/1104.4982.pdf ; G. B. Andresen et al. , “Confinement of antihydrogen for 1000 second”, Nature Physics 7, 558–564 (2011), doi:10.1038/nphys2025, Published online 05 June 2011, http://www.nature.com/nphys/journal/v7/n7/full/nphys2025.html#/group-1;

 

3. 38 atomi per 172 millisecondi: Andresen G. B. et al., Trapped antihydrogen, Nature 468, 673-676, 02 December 2010, http://www.nature.com/nature/journal/v468/n7324/full/nature09610.html#/ref5;

 

ELENA

11. Dispaccio stampa del CERN: “CERN sets course for extra-low-energy antiprotons”, press release PR20.11, 28.09.2011 http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2011/PR20.11E.html#footnote1;

 

12. J. Alsner et al., http://cdsweb.cern.ch/record/1206242/files/SPSC-P-338.pdf, ELENA: An Upgrade to the Antiproton Decelerator;

 

13. Ad-4 (ACE): http://users-phys.au.dk/hknudsen/introduction.html;

 

14. Michael H. Holzscheiter et al., The biological effectiveness of antiproton irradiation, Radiotherapy and Oncology, Volume 81, Issue 3, December 2006, Pages 233-242, ISSN 0167-8140, 10.1016/j.radonc.2006.09.012. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167814006004798;

 

15. http://socrates.berkeley.edu/~fajans/pub/pdffiles/DiscSciSympAccel.pdf;

 

16. http://www.livescience.com/16284-cern-elena-antiproton-antimatter-experiment.html;

 

ALTRI LINK UTILI

17. CERN http://public.web.cern.ch/public/;

 

18. LHC http://lhc.web.cern.ch/lhc/;

 

19. RHIC http://www.bnl.gov/rhic/;

 

20. ALPHA experiment http://alpha-new.web.cern.ch/.