L’antimateria è roba di fantascienza. Nel libro e nel film Angeli e demoni, il professor Langdon cerca di salvare la Città del Vaticano da una bomba di antimateria. La nave stellare Enterprise di Star Trek utilizza la propulsione di annientamento materia-antimateria per viaggi più veloci della luce.
Ma l’antimateria è anche la roba della realtà. Le particelle di antimateria sono quasi identiche alle loro controparti di materia tranne che portano la carica e lo spin opposti. Quando l’antimateria incontra la materia, si annientano immediatamente in energia.,
Mentre le bombe antimateria e le astronavi alimentate dall’antimateria sono inverosimili, ci sono ancora molti fatti sull’antimateria che solleticheranno le tue cellule cerebrali.
1. L’antimateria avrebbe dovuto annientare tutta la materia nell’universo dopo il big bang.
Secondo la teoria, il big bang avrebbe dovuto creare materia e antimateria in quantità uguali. Quando materia e antimateria si incontrano, si annientano, lasciando solo energia., Quindi, in linea di principio, nessuno di noi dovrebbe esistere.
Ma lo facciamo. E per quanto i fisici possono dire, è solo perché, alla fine, c’era una particella di materia in più per ogni miliardo di coppie materia-antimateria. I fisici sono al lavoro cercando di spiegare questa asimmetria.
2. L’antimateria è più vicina a te di quanto pensi.
Piccole quantità di antimateria piovono costantemente sulla Terra sotto forma di raggi cosmici, particelle energetiche dallo spazio., Queste particelle di antimateria raggiungono la nostra atmosfera ad una velocità che va da meno di una per metro quadrato a più di 100 per metro quadrato. Gli scienziati hanno anche visto prove di produzione di antimateria sopra i temporali.
Ma altre fonti di antimateria sono ancora più vicine a casa. Ad esempio, le banane producono antimateria, rilasciando un positrone—l’equivalente di antimateria di un elettrone—circa ogni 75 minuti. Ciò si verifica perché le banane contengono una piccola quantità di potassio-40, un isotopo naturale di potassio. Quando il potassio-40 decade, occasionalmente sputa un positrone nel processo.,
I nostri corpi contengono anche potassio-40, il che significa che i positroni vengono emessi anche da te. L’antimateria si annichilisce immediatamente a contatto con la materia, quindi queste particelle di antimateria sono di breve durata.
3. Gli esseri umani hanno creato solo una piccola quantità di antimateria.
Antimateria-le annichilazioni della materia hanno il potenziale per rilasciare un’enorme quantità di energia. Un grammo di antimateria potrebbe produrre un’esplosione delle dimensioni di una bomba nucleare., Tuttavia, gli esseri umani hanno prodotto solo una minuscola quantità di antimateria.
Tutti gli antiprotoni creati presso l’acceleratore di particelle Tevatron di Fermilab aggiungono fino a soli 15 nanogrammi. Quelli realizzati al CERN ammontano a circa 1 nanogramma. A DESY in Germania, sono stati prodotti circa 2 nanogrammi di positroni fino ad oggi.
Se tutta l’antimateria mai prodotta dagli esseri umani fosse annientata in una volta, l’energia prodotta non sarebbe nemmeno sufficiente per far bollire una tazza di tè.
Il problema sta nell’efficienza e nel costo della produzione e dello stoccaggio dell’antimateria., Fare 1 grammo di antimateria richiederebbe circa 25 milioni di miliardi di kilowattora di energia e costa oltre un milione di miliardi di dollari.
4. C’è una cosa come una trappola di antimateria.
Per studiare l’antimateria, è necessario evitare che annichilisca con la materia. Gli scienziati hanno creato modi per fare proprio questo.
Particelle di antimateria cariche come positroni e antiprotoni possono essere trattenute in dispositivi chiamati trappole di Penning., Questi sono paragonabili a piccoli acceleratori. All’interno, le particelle si muovono a spirale mentre i campi magnetici ed elettrici impediscono loro di scontrarsi con le pareti della trappola.
Ma le trappole di Penning non funzionano su particelle neutre come l’antiidrogeno. Poiché non hanno carica, queste particelle non possono essere confinate da campi elettrici. Invece, sono tenuti in trappole Ioffe, che funzionano creando una regione di spazio in cui il campo magnetico diventa più grande in tutte le direzioni. La particella rimane bloccata nell’area con il campo magnetico più debole, proprio come un marmo che rotola sul fondo di una ciotola.,
Il campo magnetico terrestre può anche agire come una sorta di trappola antimateria. Gli antiprotoni sono stati trovati in zone intorno alla Terra chiamate cinture di radiazioni di Van Allen.
5. L’antimateria potrebbe cadere.
Le particelle di antimateria e materia hanno la stessa massa ma differiscono per proprietà come carica elettrica e spin. Il modello standard prevede che la gravità dovrebbe avere lo stesso effetto sulla materia e sull’antimateria; tuttavia, questo deve ancora essere visto., Esperimenti come AEGIS, ALPHA e GBAR sono al lavoro cercando di scoprirlo.
Osservare l’effetto della gravità sull’antimateria non è così facile come guardare una mela cadere da un albero. Questi esperimenti devono tenere l’antimateria in una trappola o rallentarla raffreddandola a temperature appena sopra lo zero assoluto. E poiché la gravità è la più debole delle forze fondamentali, i fisici devono usare particelle di antimateria neutre in questi esperimenti per evitare interferenze da parte della forza elettrica più potente.,
6. L’antimateria è studiata nei deceleratori di particelle.
Hai sentito parlare di acceleratori di particelle, ma sapevi che c’erano anche deceleratori di particelle? Il CERN ospita una macchina chiamata Antiproton Decelerator, un anello di archiviazione in grado di catturare e rallentare gli antiprotoni per studiarne le proprietà e il comportamento.
Negli acceleratori di particelle circolari come il Large Hadron Collider, le particelle ricevono un calcio di energia ogni volta che completano una rotazione., I deceleratori funzionano in senso inverso; invece di una spinta di energia, le particelle ottengono un calcio all’indietro per rallentare le loro velocità.
7. I neutrini potrebbero essere le loro antiparticelle.
Una particella di materia e il suo partner antimateria portano cariche opposte, rendendole facili da distinguere. I neutrini, particelle quasi senza massa che raramente interagiscono con la materia, non hanno carica., Gli scienziati ritengono che possano essere particelle Majorana, un’ipotetica classe di particelle che sono le loro antiparticelle.
Progetti come il Dimostratore Majorana e EXO-200 hanno lo scopo di determinare se i neutrini sono particelle Majorana cercando un comportamento chiamato decadimento doppio-beta neutrinoless.
Alcuni nuclei radioattivi decadono simultaneamente, rilasciando due elettroni e due neutrini. Se i neutrini fossero le loro antiparticelle, si annichilirebbero a vicenda all’indomani del doppio decadimento, e gli scienziati osserverebbero solo gli elettroni.,
Trovare i neutrini di Majorana potrebbe aiutare a spiegare perché esiste l’asimmetria antimateria-materia. I fisici ipotizzano che i neutrini di Majorana possano essere pesanti o leggeri. Quelli leggeri esistono oggi, e quelli pesanti sarebbero esistiti solo subito dopo il big bang. Questi pesanti neutrini di Majorana sarebbero decaduti asimmetricamente, portando al piccolo eccesso di materia che ha permesso al nostro universo di esistere.
8. L’antimateria è usata in medicina.,
PET (positron emission tomography) utilizza positroni per produrre immagini ad alta risoluzione del corpo. Gli isotopi radioattivi che emettono positroni (come quelli che si trovano nelle banane) sono attaccati a sostanze chimiche come il glucosio che vengono utilizzate naturalmente dall’organismo. Questi vengono iniettati nel flusso sanguigno, dove vengono naturalmente suddivisi, rilasciando positroni che incontrano elettroni nel corpo e annientano. Le annichilazioni producono raggi gamma che vengono utilizzati per costruire immagini.,
Gli scienziati del progetto ACE del CERN hanno studiato l’antimateria come potenziale candidato per la terapia del cancro. I medici hanno già scoperto che possono colpire i tumori con fasci di particelle che rilasceranno la loro energia solo dopo aver attraversato in sicurezza il tessuto sano. L’uso di antiprotoni aggiunge un’ulteriore esplosione di energia. La tecnica è risultata efficace nelle cellule di criceto, ma i ricercatori devono ancora condurre studi su cellule umane.
9., L’antimateria che avrebbe dovuto impedirci di esistere potrebbe essere ancora in agguato nello spazio.
Un modo in cui gli scienziati stanno cercando di risolvere il problema dell’asimmetria antimateria-materia è cercare l’antimateria rimasta dal big bang.
Lo spettrometro magnetico Alpha è un rivelatore di particelle che si trova in cima alla Stazione Spaziale Internazionale alla ricerca di queste particelle. AMS contiene campi magnetici che piegano il percorso delle particelle cosmiche per separare la materia dall’antimateria. I suoi rivelatori valutano e identificano le particelle mentre passano attraverso.,
Le collisioni con raggi cosmici producono abitualmente positroni e antiprotoni, ma la probabilità di creare un atomo di antielio è estremamente bassa a causa dell’enorme quantità di energia che richiederebbe. Ciò significa che l’osservazione anche di un singolo nucleo di antielio sarebbe una forte prova dell’esistenza di una grande quantità di antimateria da qualche altra parte nell’universo.
10. Le persone stanno effettivamente studiando come alimentare veicoli spaziali con antimateria.,
Solo una manciata di antimateria può produrre un’enorme quantità di energia, rendendolo un carburante popolare per veicoli futuristici nella fantascienza.
La propulsione a razzo antimateria è ipoteticamente possibile; la limitazione principale è raccogliere abbastanza antimateria per farlo accadere.
Non esiste attualmente alcuna tecnologia disponibile per produrre in serie o raccogliere antimateria nel volume necessario per questa applicazione. Tuttavia, un piccolo numero di ricercatori ha condotto studi di simulazione sulla propulsione e lo stoccaggio., Questi includono Ronan Keane e Wei-Ming Zhang, che hanno fatto il loro lavoro alla Western Reserve Academy e alla Kent State University, rispettivamente, e Marc Weber e i suoi colleghi alla Washington State University. Un giorno, se riusciamo a capire un modo per creare o raccogliere grandi quantità di antimateria, i loro studi potrebbero aiutare i viaggi interstellari a propulsione antimateria a diventare una realtà.