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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
Antimateria
1Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
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Angeli o Demoni?
Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
Antimateria: protagonista di rilievo della letteratura e del cinema di fantascienza
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1. Costituenti della materia2. Cos’è l’Antimateria?3. Antimateria a Terra4. Antimateria nello Spazio5. Antimateria e Big Bang
Materia composta da costituenti fondamentali: molecole, atomi, nuclei quark, leptoni (elettroni)
Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
Ossigeno
IdrogenoIdrogeno
m1010
mx 10101
mx 15101
mx 15107.0
mx 18107.0
Thomson (1897): Discovers electron
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
4Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
Massa
Materia ordinaria
Decadono in particelle stabili
Leptoni Quark
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
5Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
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ppUrto 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
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2cmE
Protone Protone
Quark
Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
7Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
I grandi complessi di acceleratori di particelle: il CERN di Ginevra
I grandi rivelatori di particelle:Atlas al CERN di Ginevra
CDF al Fermilab (Chicago)
Sistemi complessi composti da molti rivelatori specializzati
8Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
In fisica quantistica
• Scambio di quanti
Il mondo delle particelle elementari: costituenti (quark,leptoni) e portatori di forze
In fisica classica:
• Azione istantanea a distanza• Campo (Faraday, Maxwell)
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kF
r
9Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
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E se fosse NECESSARIA data la descrizione che abbiamo del mondo delle particelle elementari? Possiamo descrivere molti sistemi con questi criteri:
?
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Perché l’Antimateria?
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Particelle e antiparticelle: la “nascita” della fisica delle particelle
1928: Equazione di Dirac, sintesi di Relatività Speciale e Meccanica Quantistica.
Elettrone, s=+1/2Elettrone, s=-1/2
Positrone, 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
Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
Le soluzioni dell’Equazione di Dirac per l’elettrone contenevano (gli stati di spin) un’altra particella, con carica opposta a quella dell’elettrone
0 mi
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1. Costituenti della materia2. Cos’è l’Antimateria?3. Antimateria a Terra4. Antimateria nello Spazio5. Antimateria e Big Bang
Il modo più semplice: cambiare la carica elettrica
Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
Una banalita’: lo scambio di tutte le cariche delle particelle
Problemi:
1)Le strutture complesse?(un atomo, una molecola)
2) Le particelle neutre?
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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
Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
14Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
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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1. Costituenti della materia2. Cos’è l’Antimateria?3. Antimateria a Terra4. Antimateria nello Spazio5. Antimateria e Big Bang
Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
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
16Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
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
17Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
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
Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
Open Day Unimi - 12 Maggio 2012 19
……e questi siamo noi
Esperimento AEGIS al CERN per la misura della gravità dell’antimateria
POSMOL 2011
AEGIS Collaboration
LAPP, Annecy, France. P. Nédélec, D. Sillou
CERN, Geneva, Switzerland M. Doser, D. Perini, T. Niinikoski, A. Dudarev, T. W. Eisel, R. Van Weelderen, F. Haug, L.. Dufay-Chanat, J. L.. Servai
INFN Firenze, Italy G. Ferrari, M. Prevedelli, G. M. Tino
INFN Genova, University of Genova, Italy C. Carraro, V. Lagomarsino, G. Manuzio, G. Testera, S. Zavatarelli
INFN Milano, University of Milano, Italy F. Castelli, S. Cialdi, M. G. Giammarchi, D. Trezzi,, F. Villa
INFN Padova/Trento, Univ. Padova, Univ. Trento, Italy R. S. Brusa, S. Mariazzi, S. Moretto, G. Nebbia, S. Pesente, G. Viesti
INFN Pavia – Italy University of Brescia, University of PaviaG. Bonomi, A. Fontana, A. Rotondi, A. ZenoniMPI- K, Heidelberg, Germany C. Canali, R. Heyne, A. Kellerbauer, C. Morhard, U. Warring
Kirchhoff Institute of Physics U of Heidelberg, Germany M. K. Oberthaler
INFN Milano, Politecnico di Milano, Italy G. Consolati, A. Dupasquier, R. Ferragut, F. Quasso
INR, Moscow, Russia A. S. Belov, S. N. Gninenko, V. A. Matveev, A. V. Turbabin
ITHEP, Moscow, RussiaV. M. Byakov, S. V. Stepanov, D. S. Zvezhinskij
New York University, USA H. H. Stroke
Laboratoire Aimé Cotton, Orsay, FranceL. Cabaret, D. ComparatUniversity of Oslo, Norway O. Rohne, S. Stapnes
CEA Saclay, France M. Chappellier, M. de Combarieu, P. Forget, P. Pari
INRNE, Sofia, Bulgaria N. Djourelov
Czech Technical University, Prague, Czech Republic V. Petráček, D. KrasnickýETH Zurich, Switzerland S. D. Hogan, F. Merkt
Institute for Nuclear Problems of the Belarus StateUniversity, Belarus G. Drobychev
04/11/23
Open Day Unimi - 12 Maggio 2012 21
22Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
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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1. Costituenti della materia2. Cos’è l’Antimateria?3. Antimateria a Terra4. Antimateria nello Spazio5. Antimateria e Big Bang
Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
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
24Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
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
25Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
AMS: Alpha Magnetic Spectrometer
Ricerca antiparticelle nello spazio
Lanciato nel Maggio 2011
Residente sulla Stazione Spaziale
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1. Costituenti della materia2. Cos’è l’Antimateria?3. Antimateria a Terra4. Antimateria nello Spazio5. Antimateria e Big Bang
Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
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
Open Day Unimi - 12 Maggio 2012 27
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
28Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
Una storia termica dell’universo
Particelle/Antiparticelle libere
29Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
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:
30Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
Una storia termica dell’universo
Particelle/Antiparticelle libere
Reazioni di questo tipo dovrebbero aver mantenuto uguale il numero di particelle e antiparticelle
ellaantiparticparticellaenergia
energiaellaantiparticparticella
)2
)1
Al diminuire di T solo la 1 resta possibile e tutte le particelle/antiparticelle si annichilano in energia
31Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
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
Open Day Unimi - 12 Maggio 2012
Una profonda simmetrai in natura. 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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