View
225
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Materia e antimateria
Gemma Testera
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
Genova 18 novembre 2008
SommarioCosa e’ l’antimateriaDove e’ e come la si producePerche’ studiare atomi di antimateriaCome si formano gli antiatomi
Cosa e’ l’antimateria?Cosa e’ la materia?Da cosa e’ formato il mondo che ci circonda?
Protoni (positivi), neutroni
atomi
elettroni (negativi)
Quarks: 2 tipi di quarksper formare protoni e neutroni: u, d
metrifrazione di atomo
I mattoni fondamentali
π
μ
K
p
n
e
Λ Σρ
Mondo e antimondoParticelle e antiparticelle devono avere:
Carica (non solo elettrica) uguale e oppostaStessa massa
elettrone, carica –e
Massa m
positrone , carica +e
Massa m
protone, carica +e
Massa= 1836 m
Antiprotone, carica -e
Massa= 1836 m
uud duu
L’ipotesi di Dirac Primi anni del 1900 : le leggi della fisica che governano il mondo che vediamo vanno
estese per descrivere gli atomi e le particelle elementari
1905 :Einstein formula la teoria della relativita’
M. Planck. W. Heisenberg.. pongono le basi della meccanicaquantistica
1928: P. Dirac ipotizzal’esistenza di antimateria
242
±==
xx
Breve storia della antimateria1928 P. Dirac prevede l’esistenza di antimateria1932 : C. Anderson rivela il positrone studiando i raggi cosmici1954 : E. Segre’ rivela l’antiprotone (Bevatron)1960 : si rivela antineutrone1965 : Zichichi, Lederman rivelano antideutoni: nuclei fatto di antimateriaParticelle di antimateria instabili prodotte con acceleratoriL’antimateria e le sue proprieta’ sono tuttora studiate in numerosi
esperimenti agli acceleratori o con esperimenti nello spazio1995 : CERN , FERMILAB: primi atomi di antidrogeno (INFN-Genova)1999 : al CERN entra in funzione AD dedicato alla produzione di antidrogeno
freddo2002 : ATHENA al CERN (e ATRAP) : milioni di atomi di antidrogenoDal 2006 in poi: esperimenti in presa dati o in preparazione
al CERN per studiare le proprieta’ dell’antidrogeno (ALPHA, ATRAP, ASACUSA, AEGIS)
Dove e’ l’antimateria?
L’antimateria sembra praticamente assente nella nostra galassia
Se materia e antimateria si incontrano annichilano rilasciandoenergia E=mc2
Non si rivelano infatti i segnali dovuti alle annichilazioni
Diversi esperimenti INFN cercano antimateria nello spazio
L’antimateria viene prodotta nei laboratori di fisica per mezzo di acceleratori
Come si producel’antimateria ?
Per esempio, come si producono gli antiprotoni?
antiprotoni
protoni
L’energia puo’ essere trasformata in massa e viceversa : E=mc2
Particelle singole di materia tipo protonipossono essere accelerate fino a velocita’prossime a quelle della luce
Quando urtano un bersagliol’energia si trasforma in massa
Gli antiprotoni prodotti hanno energiemolto elevate e velocita’ vicine a quelle della luce
Come si producel’antimateria ?
Per esempio, come si producono gli antiprotoni?
Si osserva che protoni e antiprotonivengono prodotti in coppie: conservazione numero barionico
Ma perche’ il nostro universo e’ fatto solo di materia?
•L’universo primordiale era una mistura di massa e energia(alta temperatura)
•Formazione e annichilazione continua di particelle e antiparticelle
•L’universo si espande e si raffredda: per qualche ragionesopravvive un piccolo eccesso di materia
•Si formano atomi e strutture e il mondo in cui viviamo
• Perche’ ci sono solo barioni nell’universo e non antibarioni?
• NOTA: senza asimmetria non saremmo qui a parlarne…….
•C’e’ forse qualcosa di asimmetrico nel modo in cui materia e antimateria
interagiscono….??? Materia e antimateria sono proprio identiche???
BigBang
Un mondo di antimateriasarebbe davvero identico a un mondo di materia?
Quarks (Anti-quarks) +Leptoni (Antileptoni)
4 FORZE
•La descrizione delle forze prevede alta simmetria tra materia e antimateria•Se la simmetria fosse totale la bariogenesi forse resterebbe un mistero•Qualche lieve asimmetria e’ gia’ stata osservata
•Pensiamo che le 4 forze siano manifestazioni di una unica forza fondamentale•Non siamo ancora riusciti completamente a formulare una teoria coerente•Questa teoria dovra’ descrivere l’infinitamente grande e l’infinitamente piccologli esperimenti in laboratorio e l’origine dell’universo (TEORIA DEL TUTTO)
Simmetrie: C , P , T
C coniugazione di caricail risultato di un esperimento non cambia se sostituisco tutte le particelle con le rispettive antiparticelle
• Le interazioni deboli non rispettano la simmetria P
• In qualche caso CP puo’ essere violata : 1964 decadimento mesoni K
mesoni K0 si disintegrano in π+ π- un po’ piu’ spesso di quanto facciano le rispettiveantiparticelle: molto raro ma non ambiguoesperimento BABAR (INFN): decadimento mesoni B
T inversione temporalese un fenomeno tra particelle elementari e’ possibile, altrettanto lo e’ quello in cui il
tempo scorre all’indietro
P parita’il processo fisico non distingue tra destra e sinistra
Assenza di antimateriae simmetrie non esatte
“Ricetta” di SakarovIl numero barionico non e’ esattamente conservato (alle alte temperature del big bang)Violazione di CP : si distingue tra barioni e antibarioni e si favorisce la preferenza deibarioniEvoluzione primordiale non in equilibrio termico
Il mistero non e’ risolto, si studiano altre possibili spiegazioni• CPT sembra essere una simmetria davvero fondamentale
•E’ legata ai principi fondamentali che stanno alla base del nostro modo di descrivere le leggi della natura
•Una piccola violazione di CPT potrebbe spiegare l’asimmetria materia-antiameteria
Carica (non solo elettrica) uguale e oppostaStessa massaStessa vita mediaStesso momento magnetico
Simmetria CPT
Studiare antiatomi per verificarela simmetria CPT
Atomi di materia e di antimateria devono essere identici
Stessi livelli energeticiStessa vita media degli stati eccitati
Formare e studiare antiatomi ci puo’ aiutare a capire se esistono piccole violazioni di CPT
Idrogeno e anti-idrogeno:
•e- ( e+) puo’ avere solo alcuni valori di energia (livelli)•e- ( e+) salta da un livello all’altro emettendo o assorbendo un fotone
Esempi di orbitali elettronici: e’ la zona di spazio in cui posso trovare l’elettrone (o il positrone)
p anti-p
e+e-
ener
gia
n=1
n=1n=2
Stato fondamentale
Stati eccitati
Misure dei livelli energeticidell’ (anti) idrogeno
1S-2S idrogeno2 466 061 413 187 103 (46) Hz
15 cifre decimali!
La stessa precisione con antidrogenofornirebbe il test di CPT piu’ preciso chemai sia stato fatto per barioni!
Antiatomi per studiareantimateria e gravita’
Tutti i corpi cadono al suolo con la stessa accelerazione di gravita’
g=9.81 m/s2
Un blocco di piombo e una piuma lasciati cadere dalla torre di Pisa, subiscono la stessa accelerazione di gravita’ terrestre….. e dovrebbero arrivare a terra allo stesso tempo Se provatevi accorgete che non funziona: RESISTENZA DELL’ARIA!!!
Ma la forza esercitata dalla terra sulla piuma, sul blocco di piomboe su qualunque oggetto e’ davvero la stessa!!!
PRINCIPIO DI EQUIVALENZA
(massa inerziale=massa gravitazionale)
Fondamento della relativita’ generale di Einstein
(gravitazione: una delle 4 forze fondamentali)
Apple
Earth Earth
Anti-Apple
G G ?
Esperimenti con bilance di torsione:
12-13 cifre decimali !!
Non sono mai state misurate violazioni del principio di equivalenza per materia
… e per antimateria?Nessuno hai mai misurato come cade una particella o un atomo di antimateriaEinstein: materia e antimateria cadono allo stesso modoNella TEORIA DEL TUTTO e’ possibile che la teoria di Einstein debba subire
modificheLievi differenze tra materia e antimateria: possibili in certi modelli di gravita’
quantistica
CPT non mi aiuta
Perche’ formare e studiare atomi di antidrogeno?
Asimmetria materia antimateria nell’universo e validita’ di CPT
Interazioni gravitazionali della antimateria
L’esperimento su cui lavoriamo a Genova
(AEGIS, successore di ATHENA)
ha come primo obiettivo la misura di g su antidrogeno
Se misuro h ricavo g
Perche’ e’ difficile misurare la accelerazione di gravita’ g su antimateria?
Lancio proiettili da un cannone orizzontale
Non vanno orizzontali ma cadono
hgh∝
L
L
h
H
Fascio di antimateria
Esempio : h=10 micronLe particelle dei fasci hannovelocita’ vicine a quelle della luce
L= alcune centinaia di Km…..
Occorrono particelle con velocita’molto bassa e neutre
Rivelatore di posizione
Prepariamo gli antiatomiMisure di g (ma anche la spettroscopia) richiedono atomi con bassissima velocita’: m/sSi parte da antiprotoni o positroni con velocita’ prossime a quelle della luce
300.000 Km/sec
1GeV= 1013 K 0.1 K 0.001 K10 K
Antihidrogeno prodottoda ATHENA-ATRAP
Obiettivo del nuovoEsperimento AEGIS
Energia inizialedegli antiprotoni
106 K 273 K 0.0000001K
Esp. futuriInterferometriacon antiatomi
AD: solo 188 metri
La fabbrica dellaantimateria al CERN :AD(Antiproton Decelerator)LHC: 27 Km di lunghezza
La fabbrica della antimateria al CERN :AD
AD al CERN: “deceleratore di antiprotoni”diminuisce l’energia del fascio di piu’di una fattore 1000Costruito per gli esperimentisu antidrogenoPacchetti di antiprotoni:circa 30 milioni di antiprotoniogni 100 secondi
….Il restante raffreddamento e’compito degli esperimenti
Gli esperimenti su AD
ATHENA (concluso)
ATRAP, ALPHA, ASACUSA stannoprendendo dati (+ ACE)
AEGIS : in preparazione
“Scatole” per raffreddare antimateria
Scatole (trappole) che possono confinaregli antiprotoni senza che questi tocchino maile pareti materiali
Campi elettrici e campi magneticicostringono gli antiprotoni a muoversiall’interno della scatola
Devo eliminare le particelle di materiaUltraAltoVuoto: P<10-12 mbun milione di milioni meno molecole chein questa stanza (a parita’ di volume)
Una scatola chiusa (o una stanza) contengono tantissime molecoleintrappolate al loro interno che si muovono, urtano tra di loro e rimbalzano sulle pareti
2 cm
50 cm
z
z
Energia potenziale elettrica
z
antiprotoni
Catturare e raffreddare gliantiprotoni
Gli antiprotoni sono catturati in volo: circa uno ogni 10.000
Temperatura iniziale circa uguale a quella del Sole
Gli urti con gli elettroni raffreddano gli antiprotoni: antiprotoni e elettroni non annichilano
e-antiprotoni
La trappola per antiprotoni si trova a 4K
Elettroni “leggeri” si muovono nel campo magnetico e perdono la loro energia: raggiungono 4 K
Campo magnetico B: circa 60.000 volte piu’ alto del campo magnetico terrestre
Solenoide B=3 T
Gli antiprotoni possono sopravvivere in trappola per ore o giorniSi possono accumulare
La prima trappola di ATHENA
e i positroni?Si parte da una sorgente radioattiva di 22Na (10 mC) (circa 400 milioni e+/sec)Si riduce l’energia dei positroni e si accumulano in una seconda trappolaIn 5 minuti si accumulano 100 milioni di positroni : E’ il sistema piu’ efficiente che si conosce (neon solido + urti con un gas)Nonostante cio’ solo circa 1 su mille dei positroni emessi rimane catturato in trappola
108 positroni
I positroni sono 1000-10000 volte piu’ numerosidegli antiprotoniI positroni tendono a respingersiI campi di confinamento le costringno a stare viciniFormano un plasma freddo a forma di pallone da rugbyCi sono moti collettivi (una specie di gelatina….)
4-5 mm
2 cm
“Comunicare” con l’antimateria
Circuito trasmettitore: Segnale di eccitazione(radiofrequenza)
Ricevitore: segnale dovutoalla oscillazione del plasma
Solo quando trasmetto segnali a una frequenza molto vicina alla frequenza a cui il plasma puo’ oscillare ottengo un segnale di risposta
sec
“Comunicare” con l’antimateria
Parametro che descrive la forma del plasma Ottengo
Densita’
Dimensioni del plasma
Numero di particelle
Come si e’ formatol’antidrogeno in ATHENA?
Silicon microstrips
CsIcrystals
511 keV γ
511 keV γπ
π
π
•Gli antiprotoni attraversano milioni di volte al secondo la nuvola di positroni
•Perdono energia
•Quando le velocita’ di positroni e antiprotoni sono molto simili si ha ricombinazione
•L’antiatomo neutro sfugge dalla trappola e annichila sul rivelatore
Antiprotone + e+ + e+ = Anti-idrogeno + e+
Trappola di ricombinazione
positroni
antiprotoni antiprotoni
Quanti antiatomi vengonoprodotti?
Nunero di atomi di antidrogeno prodotti Energia
1996: 9 (PS210, CERN) 2 GeV1998: 60 (Fermilab) 3 GeV2002: ~ 1,000,000 (ATHENA, ATRAP) 0.001 eV
AEGIS (Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry,Spectroscopy)
Molti aspetti simili ad ATHENA (manipolazioni di particelle in trappole)
Antiprotoni ancora piu’ freddi: 0.1 K
Diverso meccanismo di formazione di antidrogeno: scambio carica con positronio
Scopo principale: misura di g
−+→+ eHPsp**)(
Un atomo un po’ speciale: ilpositronio
Positronio : un elettrone e un positrone legati insiemeLivelli energetici simili a quelli dell’idrogeno (e dell’antidrogeno)Vive molto poco nello stato fondamentale: meno di un milionesimo di secondoNegli stati eccitati (Rydberg) puo’ vivere 100-1000 volte piu’ a lungo
Positronio in stato di Rydberg
e+ ed e- sono un po’ piu’ lontani
Il positronio in stato di Rydberg ha grandissimaprobabilita’ di formareantidrogeno quando incontraun antiprotone quasi fermo
fotone
e-
e+
−+→+ eHPsp**)(
Come si misurera’ g?
Fascio di antidrogeno
2 grate materiali con scanalature periodiche, orizzonatli con passo di 80-100 micronUn rivelatore di posizione su cui l’antidrogeno annichilaSimile a un interferometro
Prima grata Seconda grata
Rivelatore di posizione
x/ax/a
Segnale sulrivelatoredi posizione al variare dellacoordinata verticale
g
gx
Vh= 600 m/s
Il fascio “cade” mentre attraversa le grate
Grating Grating unitsunits
gx
Vh= 600 m/s
Vh= 400 m/s
Grating Grating unitsunits
gx
Vh= 600 m/sVh= 300 m/s
gx
Vh= 600 m/s
Vh= 250 m/s
ConclusioniLo studio della antimateria ci aiuta a svelare misteri ancoraaperti sulle leggi fondamentali della fisica e sulla cosmologia
Gli antiatomi freddi danno risposte complementari a quelleottenibili con altri esperimenti agli acceleratori o nello spazio
Applicazioni pratiche di antimateria: positroni e PET e’ gia’una realta’
Propulsione spaziale, reattori (e bombe) ad antimateria: solo fantascienza!!
La singola annichilazione protone - antiprotone rilasciapiu’ di 100 volte l’energia rilasciata nella fusione nucleare di 4 nuclei di idrogeno in elio
Annichilo 1 g di antimateria: 4 miliardi di volte piu’ energia di quella ottenibilebruciando 1 g di petrolio
varie fantasie su voli interplanetari……
Costo di un grammo di antimateria : stimato in 10 miliardi di dollariProduzione estremamente inefficiente
Antimateria prodotta al CERN o FERMILAB negli ultimi anni: nanogrammiCi vorrebbe 1 miliardo di anni per farne un grammo…
Al momento, con l’antimateria prodotta agli acceleratori, riusciremmo a tenere accesa una lampadina da 100 W per non piu’ di 3 minuti….
………fantascienza
Vacuum Solid
Positronbeam
Ps
Ps
Come si forma il positronio
Massima produzione al CERN: 200.000 miliardi di antiprotoni/anno
Corrisponde a soli 0.3 nanogrammi di antimateria!!
Recommended