20 dicembre 2016

Lo spettro dell'antimateria

Misurato per la prima volta lo spettro di emissione dell'atomo di anti-idrogeno. I risultati hanno mostrato che lo spettro è uguale a quello dell'atomo di idrogeno, coerentemente con quanto previsto dal modello standard della fisica delle particelle e in particolare dal cosiddetto teorema CPT(red)

La prima misurazione spettroscopica di un atomo di antimateria è stata ottenuta dai ricercatori della collaborazione internazionale ALPHA del CERN di Ginevra, che firmano un articolo pubblicato su "Nature". La misurazione indica che un importante teorema del cosiddetto modello standard, la teoria fondamentale della fisica delle particelle elementari, non è violato fino a scale estremamente piccole.

Il modello standard, che descrive le particelle elementari e tre delle quattro forze fondamentali della natura, prevede che subito dopo il big bang nell'universo primordiale materia e antimateria dovevano essere presenti in quantità uguali. Oggi però il cosmo è formato quasi interamente da materia. Per questo i fisici studiano con attenzione l'antimateria, per capire se vi è una piccola asimmetria nelle leggi della fisica che governano i due tipi di materia.

In particolare, il cosiddetto teorema CPT del modello standard prevede che nel comportamento delle particelle elementari ci siano delle simmetrie. Ciò significa che certi processi devono essere invarianti rispetto ad alcune trasformazioni, ossia che seguano le stesse leggi anche se sono operate queste trasformazioni. Nello specifico, queste trasformazioni da applicare simultaneamente sono 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.

Quando gli atomi di materia ordinaria, per esempio l'idrogeno, sono colpiti da una radiazione elettromagnetica, passano dal loro stato fondamentale a uno stato eccitato, per poi tornare
allo stato fondamentale emettendo luce che ha una distribuzione di frequenza misurabile con estrema precisione con le cosiddette tecniche spettroscopiche. Se il teorema CPT è valido, lo spettro di un atomo di materia e quello del corrispondente atomo di antimateria devono essere uguali. Tuttavia, l'antimateria è difficile da produrre e intrappolare per un arco di tempo sufficiente a effettuare queste misurazioni perché si annichila a qualsiasi contatto con la materia producendo energia.

I ricercatori della collaborazione ALPHA, che sta per Antihydrogen Laser PHysics Apparatus, sono ora riusciti a eseguire queste misurazioni su atomi di anti-idrogeno, formati cioè da un antiprotone (ovvero una particella con massa uguale a quella del protone ma con carica elettrica negativa) e da un antielettrone, o positrone (particella con massa uguale a quella dell'elettrone ma con carica positiva). In questo modo, gli scienziati hanno scoperto che lo spettro di emissione degli atomi di anti-idrogeno è coerente con quello emesso dagli atomi di idrogeno, con un margine di incertezza di solo poche parti su 10 elevato alla 15.