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INDAGANDO L'UNIVERSO....

Un fascio di antidrogeno per indagare l'universo

Una collaborazione internazionale del

CERN di Ginevra, di cui fanno parte anche

ricercatori italiani dell'Istituto nazionale di

fisica nucleare, ha prodotto per la prima

volta un fascio di atomi di antidrogeno,

il corrispettivo dell'idrogeno nel mondo

dell'antimateria. Questo risultato dovrebbe

permettere una verifica precisa delle

previsioni del modello standard e potrebbe

aiutare a risolvere uno di misteri della fisica,

ovvero la prevalenza della materia rispetto

all'antimateria nel cosmo(red)

fisicafisica delle particelle

Dovrebbe permettere misurazioni più

agevoli e più precise delle proprietà

dell'antimateria e di verificare le previsioni

del modello standard della fisica delle perticelle

il nuovo metodo per produrre un fascio di

atomi di antidrogeno descritto su "Nature Communication"

 da Naofumi Kuroda, ricercatore dell'Università

di Tokio, e colleghi di un'ampia collaborazione

internazionale, tra i quali Marco Leali, Evandro

Lodi Rizzini, Nicola Zurlo e Luca Venturelli

dell'Università di Brescia e della sezione bresciana

dell'Istituto nazionale di fisica nucleare (INFN),

nell'ambito della collaborazione ASACUSA. 

L'atomo di antidrogeno è il corrispettivo

dell'atomo dell'idrogeno nel mondo dell'antimateria:

è composto dall'antiparticella del protone, chiamata

antiprotone, che ha la stessa massa del protone ma

carica negativa invece che positiva, attorno a cui orbita

un anti-elettrone, o positrone, cioè una particella con

massa dell'elettrone ma con carica positiva, invece che

negativa. Kuroda e colleghi hanno messo a punto una

fonte di antimateria presso il deceleratore di antiprotoni

del CERN di Ginevra, un dispositivo circolare che permette

di immagazzinare le particelle, tipicamente elettroni,

protoni e positroni. 

Un elemento del complesso apparato sperimentale utilizzato nella

collaborazione ASACUSA del CERN di Ginevra per lo

studio dell'antimateria (cortesia CERN)Nel nuovo

apparato una serie di campi magnetici attentamente

controllati permettono di miscelare antiprotoni e

positroni. Da questa miscela, in opportune condizioni,

è possibile ottenere un fascio di atomi di antidrogeno

che viaggia in un una direzione definita, a differenza

di quanto accade con i metodi di produzione di

antimateria convenzionali. I ricercatori hanno prodotto

ben 80 atomi di antidrogeno. Inoltre, dato ancora più

rilevante del numero di atomi prodotti, questo

fascio è stato fatto emergere dalla trappola

magnetica in modo da essere analizzato con un

rivelatore posto a 2,7 metri, un primato assoluto.

Il risultato ottenuto da Kuroda e colleghi sarà di

notevole aiuto nella verifica del modello standard,

che descrive la fisica che governa l'universo in

termini di interazioni tra particelle e forze fondamentali.

Il modello standard prevede che sia rispettata

una fondamentale simmetria denominata CPT,

ovvero che un sistema o un processo fisico sia

descritto dalle stesse leggi del sistema ottenuto

dal primo applicando tre trasformazioni: la

coniugazione di carica "C", che commuta ogni particella

nella corrispondente antiparticella; la parità "P", che

inverte gli assi spaziali, come se il sistema fosse

osservato in uno specchio; l'inversione temporale "T",

in virtù della quale il tempo scorre dal futuro al passato,

come in un filmato fatto scorrere all'indietro.

Rappresentazione schematica dell'apparato

sperimentale: gli atomi di antidrogeno vengono

prodotti nella trappola magnetica CUSP

(rappresentata dalle linee di campo magnetico

nella parte sinistra dell'illustrazione). Parte di

questi antiatomi fluiscono verso la parte destra

dell'apparato. Al termine della corsa, vengono

rilevati (Cortesia
Widmann and N. Kuroda/CERN)Questa simmetria

ha una conseguenza sperimentale diretta: lo

spettro della radiazione elettromagnetica

emessa o assorbita nel passaggio dell'elettrone

dell'idrogeno a livelli energetici diversi rispetto

a quello di partenza deve avere un'esatta

corrispondenza nell'atomo di antidrogeno.

Ovvero, idrogeno e antidrogeno devono

avere le stesse proprietà spettroscopiche.

Per poter effettuare studi spettroscopici

dell'antidrogeno occorre superare due difficoltà

sostanziali: la costruzione di complessi apparati

per la produzione degli elusivi antiatomi, che

tendono a decadere in frazioni infinitesime di

secondo, e la necessità di usare intensi campi

magnetici per il confinamento degli antiatomi in

una "trappola magnetica". Se il "contenitore"

fosse costituito di materia, un'eventuale contatto

con l'antimateria distruggerebbe quest'ultima.

La tecnica della trappola magnetica è usata nell'esperimento

ALPHA del CERN di Ginevra, che ha ottenuto i maggiori

successi nella produzione di antidrogeno: nel 2011,

sono stati prodotti e intrappolati 112 atomi per 16

minuti, permettendo per la prima volta un'analisi

pettroscopica di questa specie chimica del mondo

dell'antimateria. L'accuratezza però era limitata proprio

dalla presenza del campo magnetico, non permettendo

di verificare la violazione di CPT in modo rigoroso. 

Ora i risultati di Kuroda e colleghi aprono la strada

a verifiche di questo tipo. "Il risultato appena

pubblicato - spiega Venturelli dell'INFN di Brescia

e dell'Università di Brescia che coordina il gruppo

italiano della collaborazione - rende molto più

concreta e vicina la possibilità di realizzare

misure di precisione con gli atomi di anti-idrogeno".

"E sondare le caratteristiche dell'antimateria  -

 prosegue il ricercatore italiano - può aiutare a

risolvere uno dei grandi misteri della fisica moderna:

la prevalenza di materia rispetto all'antimateria nell'universo visibile".