Marco G. Giammarchi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Via Celoria 16 – 20133 Milano (Italy)

Marco G. GiammarchiIstituto Nazionale di Fisica NucleareVia Celoria 16 – 20133 Milano (Italy)

[email protected]://pcgiammarchi.mi.infn.it/giammarchi/

1. Costituenti della materia2. Cos’è l’Antimateria?3. Antimateria a Terra4. Antimateria nello Spazio5. Antimateria e Big Bang

Spazio e Antimateria

1Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011

mailto:[email protected]

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Angeli o Demoni?

Per favore prendetemi sul serio !

Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011

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Cosa abbiamo imparato (a scuola) ?

• Materia composta da costituenti fondamentali: molecole, atomi, nuclei


Ossigeno

IdrogenoIdrogeno

m1010

m1410

m1010 quark

quark

quark

PROTONE

Costituenti fondamentali della materia: Quark e Leptoni

Hanno spin e carica ben definiti

Sono elementari al meglio di 10-18 m

Costituiscono la materia in condizioni ordinarie

Costituiscono le particelle instabili


Massa

Materia ordinaria

Decadono in particelle stabili

Come si studiano le particelle elementari? Ad esempio in esperimenti con acceleratori di particelle.

Tunnel di LHC, CERN (Ginevra)

Ricetta:

• prendere particelle cariche

• accelerarle con sistemi elettrici e magnetici (acceleratori)

• farle urtare tra loro

Nei grandi laboratori sistemi complessi di acceleratori portano particelle a energie elevatissime

Negli urti tra queste particelle, altre particelle vengono prodotte. Massa si trasforma in energia e viceversa


pp Urto tra due protoni !

Trasformazione di energia (dei protoni) in massa di nuove particelle

Gli urti tra due protoni sono in realta’ urti tra i quark costituenti

PROTONE

PROTONE

Esperimenti su particelle ai grandi acceleratori:CMS al CERN di Ginevra

CDF al Fermilab (Chicago)

Sistemi complessi composti da rivelatori specializzati

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Un mondo di particelle fondamentali e forze tra particelle fondamentali

In fisica quantistica

• Scambio di quanti

Il concetto di forza

In fisica classica:

• Azione istantanea a distanza• Campo (Faraday, Maxwell)

2

kFr

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Una prima risposta: cambiare la carica elettrica di tutti?


Una banalita’: lo scambio di tutte le cariche delle particelle

Problemi:

1)Le strutture complesse?(un atomo, una molecola)

2) Le particelle neutre?


Facciamo un passo indietro e ricordiamoci che tutto è costituito da particelle (considerate) elementari

Velocita’ bassev << c

Velocita’ altev simile a c

Sistema macroscopico

PienamenteClassico

Relativistico (non quantistico)

Sistema atomico

Quantistico (non relativistico)

Quantistico Relativistico

?

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Particelle e antiparticelle: la “nascita” della fisica delle particelle

1928: Equazione di Dirac, sintesi di Relatività Speciale e Meccanica Quantistica.Una Equazione relativisticamente invariante per particelle a spin ½.

0)( mi Le soluzioni nel sistema a riposo sono 4 stati:

• E>0, s=+1/2• E>0, s=-1/2• E<0, s= +1/2• E<0, s= -1/2

Reinterpretando gli stati a energia negativa come antiparticelle dell’elettrone:

Elettrone, s=+1/2Elettrone, s=-1/2Positrone, s=1/2Positrone, s=-1/2

Il positrone, particella identica all’elettrone e- ma avente carica positiva: e+. La prima previsione della teoria quantistica relativistica

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La prima particella di antimateria scoperta: il positrone (antielettrone)

Positroni scoperti nelle interazioni dei raggi cosmici in camere a nebbia (Anderson, 1932).

Antiparticella: stessa massa della particella ma carica (e momento magnetico) opposti

I costituenti fondamentali hanno tutti un’antiparticella !

L’esistenza delle antiparticelle: una proprietà generale (ma non universale!) delle particelle elementari



Ad esempio l’antiprotone:

Ricetta per costituire antimateria:

Scomporre la materia in costituenti (particelle) elementariPrendere l’antiparticella di ogni particella elementareRimettere il tutto insieme

PROTONE: QUARKS ANTIPROTONE: ANTIQUARKS

Ad esempio l’anti-neutrone: NEUTRONE: QUARKS ANTINEUTRONE: ANTIQUARKS

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Abbiamo visto l’antimateria in forma di particelle. Ma…

1)Le antiparticelle sono stabili?

2)Possiamo costruire strutture più grandi di antimateria?

L’antimateria è del tutto instabile:

Una particella di antimateria ha tutti i numeri quantici OPPOSTI a una di materia !

Appena urta la materia, tutto si trasforma in radiazione


Ad esempio, un elettrone e un positrone (antielettrone) :

e e

ee Con trasformazione di tutta la massa in energia: 2mcE

L’antimateria esplode al contatto con la materia!! Isolare bene l’antimateria dalle pareti del contenitore di materia


La costruzione di anti-atomi:

Anti-idrogeno

(Anti-deuterio)(Anti-elio)

La bottiglia di “Angeli e Demoni” è un insieme di trappole per confinare particelle cariche e metterle insieme

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Studiare l’Antimateria sulla Terra?

Una macchina dedicata al CERN:

1)Antiproton Decelerator

2)Produzione e studio di anti-H

• Produzione anti-idrogeno

• Confinamenteo anti-H

• Gravità anti-H

• Eli antiprotonico

• Adroterapia con antiprotoni



Quali sono le proprietà degli anti-atomi?

Sono fatti come gli atomi ordinari (a parte le cariche scambiate?)

Cadono come gli atomi ordinari nel campo gravitazionale terrestre?

Studio delle transizioni atomiche dell’anti-idrogeno e confronto con quelle dell’idrogeno

Come cade un antiatomo?

Test di leggi fisiche fondamentali con antimateria (CPT e Principio di Equivalenza)

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Materia e antimateria in forma di particelle elementari. Particelle dallo spazio!

Raggio cosmico primario

Sciame di particelle secondarie prodotte nell’atmosfera

I raggi cosmici primari possono contenere antiparticelle ?


Esempio: una pulsar come acceleratore di particelle !

Nello spazio intervengono numerosi processi di accelerazione di particelle


Motivazioni per la ricerca di antiparticelle nello spazio

Siccome l’Universo appare composto di materia (non di antimateria):

1)L’antimateria può essere prodotta in processi strani

2) Antimateria complessa (anti-elio) può indicare stelle di antimateria !!

La presenza dei positroni potrebbe indicare il decadimento di particelle di materia oscura


AMS: Alpha Magnetic Spectrometer

Ricerca antiparticelle nello spazio

Lanciato nel Maggio 2011

Residente sulla Stazione Spaziale

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La creazione di Adamo – Michelangelo Buonarroti (1511). (Musei Vaticani - La Cappella Sistina)

Lo schema con cui si descrive la nascita e l’evoluzione dell’Universo è quello del

BIG BANG CALDO

Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 25

Il modello del Big Bang:

1) Il red-shift (espansione cosmica)2) La nucleosintesi primordiale3) La radiazione cosmica di fondo4) La Relatività Generale5) L’Inflazione

Osservazioni sperimentali

Teoria della Gravitazione

Se l’Universo è in espansione, nei primi istanti ci si doveva trovare in una situazione di densità altissima, temperatura altissima, energia/particella altissima


Una storia termica dell’universo

Particelle/Antiparticelle libere




ee

ee

pp

Queste reazioni creano e distruggono particelle/antiparticelle in ugual numero

NOee

ee

Quando l’energia scende non è più possibile creare coppie particella/antiparticella. Invece tali coppie si possono distruggere:




Reazioni di questo tipo dovrebbero aver mantenuto uguale il numero di particelle e antiparticelle

ellaantiparticparticellaenergiaenergiaellaantiparticparticella

)2)1

Al diminuire di T solo la 1 resta possibile e tutte le particelle/antiparticelle si annichilano in energia


Ma l’Universo non è vuoto. Contiene MATERIA e non ANTIMATERIA !

Un processo fisico ha alterato il rapporto tra materia e antimateria nei primi istanti, creando un poco (pochissimo) di materia in più


Lo studio delle proprietà di antiparticelle e particelle può risolvere uno dei misteri più profondi del cosmo.

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Grazie per la vostra attenzione

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Marco G. Giammarchi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Via Celoria 16 – 20133 Milano (Italy)