L'esperimento ATHENA

Sono ormai più di 70 anni che l'esistenza dell'antimateria è stata prima postulata e poi dimostrata sperimentalmente. La teoria di Dirac prevede l'antielettrone, una particella con caratteristiche assolutamente identiche a quelle dell’elettrone, ma di carica elettrica opposta, e nel 1932 le osservazioni di Anderson, Blackett e Occhialini ne validarono definitivamente l'esistenza. Concettualmente l'impatto sul mondo della scienza fu enorme, e ci si convinse presto che a ogni particella corrisponde una propria anti-particella, anche se si dovettero aspettare ancora decenni e l’avvento di tecnologie moderne per lanciare la corsa alla scoperta sistematica delle particelle elementari e delle loro antiparticelle.

Introduzione

Al giorno d'oggi, nei moderni laboratori di fisica, le antiparticelle sono diventate i giornalieri compagni di lavoro: esse vengono prodotte, accelerate, fatte scontrare e interagire con campi elettromagnetici, ed intrappolate. Tutto ciò per rispondere ad alcune domande fondamentali su quali sono le caratteristiche più profonde delle leggi che descrivono le forze tra le particelle elementari, e per capire se esiste una simmetria perfetta tra il comportamento della materia e quello della antimateria. Rispondere a queste domande con esperimenti realizzati nei laboratori getta luce sull’origine del nostro universo e sul perché esso appare costituito da materia e non da antimateria.

Su questi temi la ricerca fondamentale ha impegnato per lungo tempo le proprie risorse e in questo contesto i fisici italiani hanno sempre avuto un ruolo di spicco. In particolare ricordiamo la scoperta dell’antiprotone, che ha visto tra i protagonisti Emilio Segrè, quella dell’antineutrone con la partecipazione di Oreste Piccioni e la scoperta dell’antideuterio (un nucleo formato da un antiprotone e da un antineutrone) ad opera del gruppo diretto da Antonino Zichichi.

Produzione di anti-idrogeno “freddo” in ATHENA

Un nuovo ed importante risultato per lo studio dell'antimateria è stato conseguito dall'esperimento ATHENA presso il deceleratore di antiprotoni del CERN di Ginevra con la produzione di decine di migliaia di atomi di anti-idrogeno a bassa temperatura. Tale risultato apre la strada ad una nuova serie di misure ed esperimenti di fisica fondamentale sull'antimateria.

Figura 1

Ma cos’è l'anti-idrogeno? L'anti-idrogeno non è altro che l'analogo di un atomo di idrogeno composto da particelle di antimateria (Fig.1). È ben noto che l'atomo di idrogeno è un sistema fondamentale della fisica atomica, la più semplice struttura di base: un protone ed un elettrone nella sua orbita che formano un sistema quantistico legato. L'idrogeno non ha carica elettrica, è materia elettricamente neutra. È sulle caratteristiche di questo semplice sistema che si sono realizzati molti sviluppi sia teorici sia sperimentali della fisica moderna. Le misure della luce emessa dagli atomi di idrogeno, tra le più raffinate e precise tra quelle esistenti, hanno fornito conferme a teorie fondamentali quale la meccanica quantistica, determinato sperimentalmente il valore di molte costanti fondamentali della natura, e permesso di studiare in dettaglio le interazioni fra protoni ed elettroni.

Per quanto riguarda lo studio dei sistemi di antimateria, è evidente che la possibilità di analizzare un atomo di anti-idrogeno con le stesse tecniche utilizzate per l'idrogeno e di confrontare i risultati fornisce un'inesauribile miniera di conoscenze. L'uguaglianza tra la luce emessa dall'idrogeno con quella emessa dall'anti-idrogeno confermerebbe l'invarianza del comportamento della natura rispetto a certe operazioni di simmetria come l'inversione tra passato e futuro o tra l'oggetto e la sua immagine allo specchio.

Figura 2

Differenze tra la luce emessa dai due sistemi in differenti condizioni di potenziale gravitazionale (misurando gli spettri in estate ed inverno quando la distanza dal sole è differente) porterebbe alla rivoluzionaria scoperta di una diversa legge dei gravi di antimateria.

Figura 3

È su queste possibilità sperimentali che i risultati ottenuti in ATHENA si distinguono dagli esperimenti precedenti e costituiscono un primo passo di assoluto rilievo nel mondo della fisica. Infatti, l'alto numero e la bassa velocità con la quale vengono prodotti gli atomi di anti-idrogeno ne consentono lo studio a livello fondamentale utilizzando le metodologie già note ai fisici sulla manipolazione degli atomi a bassa temperatura e il loro studio tramite interazione con luce laser. Sarà possibile nel futuro intrappolare l'antimateria in un'ideale “bottiglia” magnetica per poterne analizzare le caratteristiche fondamentali e confrontarle con quelle dell'idrogeno. Non è troppo ardito paragonare la differenza tra i due esperimenti con quella che separò la scoperta delle particelle elettricamente cariche (elettrone, protone, ecc..) e la messa a punto delle tecnologie di accelerazione delle medesime.

Figura 4

La prima forniva un dato fondamentale sull’esistenza delle particelle, la seconda ne esaltava le caratteristiche mettendole al servizio della scienza ed aprendo quindi uno sconfinato ciclo di esperimenti e scoperte utilizzando gli acceleratori di particelle. Ora siamo al punto di partenza di questa fase per l'antimateria: scoperto l'anti-idrogeno, riusciamo a produrlo quasi a riposo in modo da renderlo appetibile per gli esperimenti di fisica fondamentale.

L'esperimento ATHENA

Questo passo essenziale è stato reso possibile solo grazie all'applicazione delle moderne tecnologie del vuoto, della criogenia, della rivelazione di particelle, della manipolazione di particelle cariche a bassa energia e grazie al lavoro dedicato di un piccolo gruppo di ricercatori tra i quali gli italiani dell'INFN si sono distinti per competenza e creatività. La formazione degli atomi di anti-idrogeno a temperatura criogenica si realizza quando i suoi componenti, antiprotone e positrone, sono raffreddati e miscelati .

Per realizzare ciò si utilizzano trappole elettromagnetiche dove le particelle sono confinate a lungo prima di essere mescolate (Fig.2). Il processo di mixing con conseguente formazione di atomi avviene in una trappola centrale dove i potenziali sono stati appositamente configurati (Fig.3). Una volta che l’anti-idrogeno è formato, essendo neutro, sfugge al confinamento elettromagnetico, si annichila sulle pareti della trappola e i prodotti dell'annichilazione vengono rivelati (Fig.4). La conseguente analisi dei segnali permette di certificare la contemporanea annichilazione nello stesso punto di antiprotoni e positroni dando la firma dell'anti-idrogeno. La seconda fase, che sarà mirata allo studio degli spettri di luce dell’anti-idrogeno, comincerà nei primi mesi del 2003.

In collaborazione con l' Istituto nazionale di fisica nucleare