Ecco lo spettro dell’antimateria

Come spesso accade per articoli scientifici che descrivono progressi straordinari, il titolo del paper pubblicato oggi, lunedì 19 dicembre 2016, su Nature è a dir poco sobrio: “Observation of the 1S–2S transition in trapped antihydrogen”. Ma a un occhio appena un poco attento la portata di questa scoperta balza subito agli occhi. La transizione 1S-2S alla quale si riferisce, è vero, altro non è se non il passaggio dallo stato fondamentale al secondo stato eccitato. Ma la novità, in questo caso, sta nel “soggetto”: il passaggio di che cosa? Ebbene, fino a oggi quella che veniva misurata era l’energia assorbita – o emessa – da un elettrone di un atomo. Ciò che sono riusciti ora a fare, al CERN, gli scienziati dell’esperimento ALPHA è la stessa misura ma relativa all’energia assorbita da un positrone (dunque, un anti-elettrone) di un “anti-atomo”. Per l’esattezza, un anti-idrogeno. Detto altrimenti: antimateria. E ciò che hanno visto, per la prima volta nella storia, è dunque la riga di uno spettro di antimateria: una “anti-riga” di un “anti-spettro”.

Un risultato inseguito per anni senza mai riuscire a raggiungerlo, fino a oggi. Un risultato eccezionale dal punto di vista tecnologico, come vedremo. Ma, soprattutto, un risultato che spalanca le porte a possibilità inedite per lo studio dell’antimateria, offrendoci per la prima volta la possibilità di mettere a confronto uno spettro con un “anti-spettro”. Confronto i cui risultati preliminari, mostrando come – entro i limiti sperimentali –  vi sia consistenza fra le osservazioni condotte sugli atomi di anti–idrogeno e quelle sugli atomi di idrogeno, confermano quanto previsto dal Modello standard circa la perfetta simmetria fra materia e antimateria: ovvero, che il livelli energetici sono identici, come richiesto dalla cosiddetta simmetria CPT, dove ‘C’ sta per carica, ‘P’ per parità e ‘T’ per tempo.

Una conferma cruciale, questa: una differenza significativa fra spettro e “anti-spettro” implicherebbe infatti una revisione radicale di molti principi basilari della fisica. Ma potrebbe al tempo stesso offrire una spiegazione a quell’enigma ancora insoluto che è il disequilibrio che si registra nell’universo fra la quantità di materia e quella di antimateria: benché dovessero essere presenti in parti uguali all’epoca del big bang, sembrano oggi essere onnipresente la prima, pressoché introvabile la seconda.

«Usare un laser per osservare una transizione in un atomo di antidrogeno e confrontarla con quella in un atomo di idrogeno per vedere se obbediscono alle stesse leggi della fisica è stato da sempre un obiettivo chiave della ricerca nel campo dell’antimateria», dice Jeffrey Hangst, portavoce della collaborazione ALPHA. Crediti: Maximilien Brice / CERN

Un grande risultato tecnologico, dicevamo, che giunge al termine d’un inseguimento durato vent’anni. La difficoltà più grande non è stata tanto quella di creare anti-atomi di anti-idrogeno, attività nella quale ALPHA eccelle, bensì di mantenerli intrappolati un tempo sufficiente a condurre l’esperimento, in questo caso l’illuminazione con un raggio laser.

«Spostare e intrappolare antiprotoni o positroni è facile, perché sono particelle cariche», spiega il portavoce della collaborazione ALPHA Jeffrey Hangst. «I problemi cominciano quando si combinano i due per ottenere un atomo di anti-idrogeno neutro, molto più difficile da intrappolare. Per riuscirci, abbiamo progettato una trappola magnetica molto speciale, sfruttando il fatto che antidrogeno è leggermente magnetico».

Qualche cifra può aiutare a comprendere gli ostacoli che i ricercatori hanno dovuto superare. Ogni tentativo parte da un plasma contenente circa 90mila antiprotoni, dai quali si ottengono grosso modo 25mila anti-idrogeni. Da questi, fino a ieri, se ne riuscivano a intrappolare in media appena 1,2. Ebbene, con la nuova tecnica si è passati a 14 anti-atomi, mantenuti intrappolati in una camera a vuoto cilindrica – lunga 280 mm e con un diametro di 44 mm – per un intervallo sufficiente a essere illuminati dal laser e osservare la transizione 1S-2S. Facendoci così vedere per la prima volta una caratteristica, ampiamente prevista ma mai verificata sperimentalmente, del mondo “anti”.

Per saperne di più:

• Leggi su Nature l’articolo “Observation of the 1S–2S transition in trapped antihydrogen“, di  M. Ahmadi, B. X. R. Alves, C. J. Baker, W. Bertsche, E. Butler, A. Capra, C. Carruth, C. L. Cesar, M. Charlton, S. Cohen, R. Collister, S. Eriksson, A. Evans, N. Evetts, J. Fajans, T. Friesen, M. C. Fujiwara, D. R. Gill, A. Gutierrez, J. S. Hangst, W. N. Hardy, M. E. Hayden, C. A. Isaac, A. Ishida, M. A. Johnson, S. A. Jones, S. Jonsell, L. Kurchaninov, N. Madsen, M. Mathers, D. Maxwell, J. T. K. McKenna, S. Menary, J. M. Michan, T. Momose, J. J. Munich, P. Nolan, K. Olchanski, A. Olin, P. Pusa, C. Ø. Rasmussen, F. Robicheaux, R. L. Sacramento, M. Sameed, E. Sarid, D. M. Silveira, S. Stracka, G. Stutter, C. So, T. D. Tharp, J. E. Thompson, R. I. Thompson, D. P. van der Werf e J. S. Wurtele

Guarda il video del CERN:

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