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Antimateria: nuove misure confermano la simmetria

Le misurazioni sono coerenti con le previsioni per la materia “normale” e aprono la strada a futuri studi di precisione.

antimateria
Rappresentazione artistica di un nucleo di antimateria (fonte: RHIC/Brookhaven National Laboratory)

La collaborazione ALPHA al CERN ha riportato le prime misurazioni di alcuni effetti quantistici nella struttura energetica dell’antidrogeno, la controparte dell’antimateria dell’idrogeno. È noto che questi effetti quantistici esistono nella materia e studiarli potrebbe rivelare differenze non ancora osservate tra il comportamento della materia e l’antimateria.

I risultati, descritti in un articolo pubblicato oggi sulla rivista Nature , mostrano che queste prime misurazioni sono coerenti con le previsioni teoriche degli effetti dell’idrogeno “normale” e aprono la strada a misurazioni più precise di queste e altre quantità fondamentali.

“Trovare una differenza tra queste due forme di materia potrebbe scuotere le basi del Modello Standard della fisica delle particelle e queste nuove misurazioni sondano aspetti dell’interazione dell’antimateria – come il Lamb shift – che non vedevamo l’ora di affrontare”, afferma Jeffrey Hangst, portavoce dell’esperimento ALPHA.

“Il prossimo nella nostra lista è il raffreddamento di grandi campioni di antidrogeno utilizzando tecniche di raffreddamento laser all’avanguardia. Queste tecniche trasformeranno gli studi sull’antimateria e consentiranno confronti senza precedenti ad alta precisione tra materia e antimateria. ”

Il team ALPHA crea atomi di antidrogeno legando gli antiprotoni forniti dal deceleratore antiprotoni del CERN con antielettroni, più comunemente chiamati “positroni”. Quindi li confina in una trappola magnetica in un vuoto ultra elevato, che impedisce loro di entrare in contatto con la materia e di annientare.

La luce laser viene quindi riflessa sugli atomi intrappolati per misurare la loro risposta spettrale. Questa tecnica aiuta a misurare effetti quantistici noti come la cosiddetta struttura fine e il Lamb-shift, che corrispondono a piccole scissioni in determinati livelli di energia dell’atomo, e sono stati misurati in questo studio nell’atomo di antidrogeno per la prima volta.

Il team aveva precedentemente utilizzato questo approccio per misurare altri effetti quantistici nell’antidrogeno, l’ultimo dei quali a misurazione della transizione Lyman-alpha .

La struttura fine è stata misurata in idrogeno atomico più di un secolo fa e ha gettato le basi per l’introduzione di una costante fondamentale della natura che descrive la forza dell’interazione elettromagnetica tra particelle cariche elementari.

Il Lamb-shift è stato scoperto nello stesso sistema circa 70 anni fa ed è stato un elemento chiave nello sviluppo dell’elettrodinamica quantistica, la teoria di come la materia e la luce interagiscono.

La misurazione del Lamb-shift, che vinse Willis Lamb il premio Nobel per la fisica nel 1955, fu riportata nel 1947 alla famosa conferenza di Shelter Island – la prima importante opportunità per i leader della comunità fisica americana di riunirsi dopo la guerra.

Uno dei misteri della fisica moderna è, infatti, capire perché sia venuta meno l’originale simmetria tra materia e antimateria all’indomani del Big Bang, dove sia finita l’antimateria e perché non vediamo, ad esempio, anti-stelle, anti-galassie e persino un anti-universo. Interrogativi ai quali cerca di trovare una risposta il cacciatore di antimateria AMS-02, installato all’esterno della stazione orbitante.

Dal  27 gennaio lo strumento è stato riparato e dovrebbe essere operativo almeno fino al 2028, dopo il complesso intervento di manutenzione in orbita svolto nel corso di quattro acrobatiche passeggiate spaziali dall’astronauta italiano dell’Agenzia Spaziale Europea (Esa), Luca Parmitano, nelle settimane conclusive della sua seconda missione nello spazio, Beyond.

Nota tecnica

Sia la struttura fine che lo spostamento dell’agnello sono piccole divisioni in determinati livelli di energia (o linee spettrali) di un atomo, che possono essere studiati con la spettroscopia. La suddivisione a struttura fine del secondo livello di energia dell’idrogeno è una separazione tra i cosiddetti livelli 2P 3/2 e 2P 1/2 in assenza di un campo magnetico.

La scissione è causata dall’interazione tra la velocità dell’elettrone dell’atomo e la sua rotazione intrinseca (quantistica). Lo spostamento “classico” dell’agnello è la divisione tra i livelli 2S 1/2 e 2P 1/2 , anche in assenza di un campo magnetico. È il risultato dell’effetto sull’elettrone delle fluttuazioni quantistiche associate ai fotoni virtuali che saltano dentro e fuori dall’esistenza nel vuoto.

Nel loro nuovo studio, il team ALPHA ha determinato la scissione della struttura fine e lo spostamento dell’agnello inducendo e studiando le transizioni tra il livello di energia più basso di antidrogeno e i livelli 2P 3/2 e 2P 1/2 in presenza di un campo magnetico di 1 Tesla.

Usando il valore della frequenza di una transizione che avevano precedentemente misurato, la transizione 1S – 2S e supponendo che alcune interazioni quantistiche fossero valide per l’antidrogeno, i ricercatori hanno dedotto dai loro risultati i valori della scissione della struttura fine e dello spostamento dell’agnello.

Hanno scoperto che i valori dedotti sono coerenti con le previsioni teoriche delle scissioni nell’idrogeno “normale”, entro l’incertezza sperimentale del 2% per la scissione della struttura fine e dell’11% per il lamb shift.

livelli attesi di energia antiidrogeno.
Fig. 1: livelli attesi di energia antidrogeno.

Le energie calcolate della struttura fine e dei sottolivelli iperfini degli stati 1S 1/2 , 2S 1/2 , 2P 3/2 e 2P 1/2 sono mostrate come funzioni dell’intensità del campo magnetico. Sono mostrati gli orientamenti di spin per l’antidrogeno; sono invertiti per l’idrogeno.

La differenza di energia del centroide, 1S – 2S  = 2.4661 × 10 15  Hz, è stata soppressa sull’asse verticale. I dettagli dei livelli di energia relativi a questo lavoro in un campo magnetico di B  = 1.0329 T sono mostrati a destra. Ogni stato è etichettato usando la notazione convenzionale.

Per gli stati 1S e 2S, gli stati iperfini sono etichettati con i pedici a – d in ordine crescente di energia; vale a dire,e, in cui la notazione ket rappresenta la rotazione del positrone (a sinistra; ↓ o ↑) e la rotazione dell’antiprotone (a destra ; ⇓ o ⇑ ) indica il limite di campo alto.

Le etichette S ab e S cd  Sun’↑ ⇑ ⟩ Sa=|↑⇑⟩ SB↑ ⇓ ⟩ Sb=|↑⇓⟩ Sc↓ ⇑ ⟩ Sc=|↓⇑⟩ Sd↓ ⇓ ⟩ Sd=|↓⇓⟩ vengono utilizzati quando gli spin antiprotone non sono polarizzati. Per gli stati 2P, le scissioni a struttura fine sono etichettate con i pedici a – f in ordine di energia decrescente a bassi campi magnetici, mentre la scissione iperfine dovuta allo spin antiprotone è specificata dai pedici + e – per spin parallelo (  ) e anti-parallelo (  ) al campo magnetico nel limite di campo alto, rispettivamente.

Il simbolo (↓, ↑) nella figura indica che gli stati di spin del positrone sono miscelati per gli stati 2P c e 2P f . Le frecce solide verticali indicano le transizioni laser a un fotone sondate qui: 1S d  → 2P f− (rosso grassetto), 1S c  → 2P f + (rosso sottile), 1Sd  → 2P c− (blu grassetto) e 1S c  → 2P c + (blu sottile).

Le frecce rosse e blu tratteggiate indicano il rilassamento allo stesso livello intercettabile, che non è rilevabile nel presente esperimento, e le frecce nere tratteggiate indicano il rilassamento a livelli non tracciabili, che è rilevabile tramite segnali di annichilazione (vedi testo).

La freccia nera in grassetto mostra la transizione a microonde utilizzata per eliminare gli atomi di stato 1S c per preparare un campione di antidrogeno con doppia polarizzazione di spin.

ALPHA-2
Fig. 2: L’apparato centrale ALPHA-2.

Un volume di intrappolamento cilindrico per antimateria neutra con un diametro di 44,35 mm e una lunghezza assiale di 280 mm si trova all’interno di numerosi elettrodi della trappola Penning e circondato da una bobina di ottupole, cinque bobine di specchio e due solenoidi, tutte superconduttive.

Il rivelatore di annientamento del vertice al silicio a tre strati è mostrato schematicamente in verde. La luce laser (linea viola) entra dal lato positrone ( + ) (destra) e viene trasmessa al lato antiprotone ( p¯ ) (sinistra) attraverso MgF 2 sotto vuoto ultravioletto finestre ad alto vuoto. Il raggio laser attraversa l’asse della trappola con un angolo di 2,3 °.

Gli impulsi trasmessi a 121,6 nm vengono rilevati da un tubo fotomoltiplicatore (PMT) cieco sul lato antiprotone. Le microonde utilizzate per preparare i campioni doppiamente polarizzati con spin vengono introdotte dal lato positrone attraverso una guida d’onda, mostrata in blu. Il magnete a solenoide esterno per le trappole Penning non è mostrato qui. THG, generazione di terza armonica.

Serie Polarizzazione del campione Transizione sondata Numero di corse Energia di impulso media (pJ) Numero di frequenze Numero di impulsi per frequenza Numero di atomi intrappolati Il microonde conta Il laser conta Conta al momento del rilascio
1 singolo 1S cd → 2P c ± 4 600 12 24.000 2.004 1.197 807
2 singolo 1S cd → 2P f ± 4 550 12 24.000 2.012 1.075 937
3 Doppio 1S d → 2P c− 2 440 12 12.000 1.044 527 229 288
4 Doppio 1S d → 2P f− 2 720 12 12.000 971 463 341 167

Tabella 1 Parametri sperimentali e numero di eventi rilevati

I parametri sperimentali, insieme al numero di eventi antidrogeno rilevati durante l’irradiazione a microonde, l’irradiazione laser e il rilascio degli atomi rimanenti, sono tabulati per ogni serie.

L’analisi di apprendimento automatico identifica gli eventi di annientamento con un’efficienza stimata di 0,849 per l’irradiazione a microonde, 0,80 per l’irradiazione laser e 0,851 per il rilascio degli atomi rimanenti. Il numero di conteggi viene corretto per l’efficienza di rilevamento. Il numero di atomi intrappolati deriva dalla somma degli altri conteggi.

antimateria
Fig. 3: spettro 1S – 2P di anti-idrogeno a struttura fine.

a , b , Dati sperimentali (cerchi pieni) e forme di linee adattate per campioni di antiidrogeno singolarmente spin polarizzati ( a ) e doppiamente polarizzati con spin ( b ).

I punti dati sono stati ottenuti dagli eventi spin-flip rilevati, normalizzati al numero totale di atomi di antidrogeno intrappolati, per un’energia di impulso laser di 0,5 nJ. Le barre di errore sono 1 σ contando le incertezze. La frequenza è compensata di 2.466.036,3 GHz.

Notiamo che non sono stati presi dati tra i due picchi (~ 2–12 GHz). Le curve di adattamento rosse sono state ottenute tramite la nostra procedura di adattamento standard (Modello 1) e le curve blu sono state derivate da un modello di adattamento alternativo (Modello 2), che illustra la sensibilità dei nostri risultati alla procedura di adattamento. Vedi testo e metodi per discussioni dettagliate.

Polarizzazione di spin del campione Antiidrogeno res (exp) (MHz) Idrogeno res (th) (MHz) Differenza res (exp) –  res (th) (MHz)
1S cd → 2P c ± singolo 2.466.051,659 mila (62) 2.466.051,625 mila 34
1S cd → 2P f ± singolo 2.466.036,611 mila (88) 2.466.036,642 mila -31
1S d → 2P c− Doppio 2.466.051,189 mila (76) 2.466.051,27 mila -81
1S d → 2P f− Doppio 2.466.036,395 mila (81) 2.466.036,287 mila 108

Tabella 2 Frequenze di transizione 1S – 2P

Le frequenze di transizione determinate sperimentalmente per l’antidrogeno res (exp) (con errori di 1 σ tra parentesi) vengono confrontate con i valori teoricamente previsti per l’idrogeno res (th) in un campo magnetico di 1.0329 T. Per i singoli dati spin polarizzati, viene dato il centroide degli stati iperfini.

Le frequenze di transizione per l’idrogeno sono state calcolate con una precisione migliore di 1 MHz.

Fonte di incertezza 1S d → 2P c- Doppio spin polarizzato (MHz) 1S d → 2P f− Doppio spin polarizzato (MHz) 1S cd → 2P c ± Spin polarizzato singolarmente (MHz) 1S cd → 2P f ± Singolarmente polarizzato con spin (MHz)
Statistiche di adattamento delle linee 55 54 45 47
Dipendenza dal modello di raccordo 24 42 17 62
Deriva del misuratore d’onda 30 30 30 30
Offset del misuratore d’onda 18 18 18 18
Correzione della frequenza della cavità 730 nm 18 18 18 18
Atomi di stato residuo 1S c in campione doppiamente polarizzato con spin 23 16 0 0
Campo magnetico 5 8 5 8
Totale 76 81 62 88

Tabella 3 Riepilogo delle incertezze

Incertezze stimate (1 σ ) a 121,6 nm per ciascuna transizione.

frequenze di transizione antidrogeno e idrogeno.
Fig. 4: Confronto delle frequenze di transizione antiidrogeno e idrogeno.

C’è cosè l’antimateria

La fisica quantistica ha dimostrato che tra le particelle esiste una simmetria fondamentale: per ciascuna di esse può esisterne una simmetrica, dotata della stessa massa, ma con carica elettrica opposta.

Per quanto riguarda le altre proprietà, anch’esse sono uguali o uguali con segno opposto.

A ogni particella corrisponde quindi una “antiparticella”: così l’elettrone ha come antiparticella una particella di carica positiva, il positrone; il protone ha l’antiprotone, eccetera.

In generale, la distinzione tra particella e antiparticella è puramente convenzionale. Si dicono “particelle” quelle che si trovano in superiorità nel nostro ambiente fisico, come gli elettroni e i protoni. In un simile ambiente le loro antiparticelle scompaiono per annichilazione, sono cioè effimere.

Per produrre le antiparticelle si può generare un urto tra due particelle ad alta energia. In questo caso una parte di energia si converte in materia e antimateria.

AsiTV – Il Prof. Piero Benvenuti ci guida alla scoperta dell’affascinante simmetria

Produzione dell’antimateria

In fisica delle particelle il processo di produzione di coppia o creazione di coppia elettrone-positrone è una reazione in cui un raggio gamma interagisce con la materia convertendo la sua energia in materia e antimateria.

Se un fotone gamma altamente energetico (ci vuole un’energia notevole per generare la materia, in base alla legge di Einstein di conversione tra materia ed energia, E = mc²) va a impattare contro un bersaglio, subisce un urto anelastico materializzando la propria energia, e producendo una coppia di particelle composta da un elettrone (materia) e un positrone (antimateria).

Esistenza dell’antimateria

L’antimateria prodotta naturalmente in piccolissimi quantitativi nei processi astronomici più energetici (i “raggi cosmici” che giungono in ogni istante anche sulla Terra) o prodotta nei laboratori di fisica delle particelle ha vita breve e non può essere immagazzinata per tempi significativi, in quanto si annichila al primo contatto con la materia.

Questo processo accade in ogni istante quando l’antimateria proveniente dai raggi cosmici collide con le molecole dell’atmosfera terrestre. Il processo in questione ha una efficienza del 100% e libera fotoni di altissima energia, cioè raggi gamma.

Contenitori magnetici specifici hanno permesso di conservare alcune antiparticelle portandone quasi allo zero assoluto la temperatura, ciò che ne “ferma” il moto mantenendole anche per minuti o ore. In base alle attuali conoscenze, non esistono quantità significative di antimateria in tutto l’universo.

Big Bang e annichilazione

Secondo la teoria del Big Bang, nell’universo iniziale materia e antimateria sarebbero dovute essere presenti in proporzioni uguali e di conseguenza avrebbero dovuto dare luogo a un immediato processo di annichilazione che avrebbe fatto scomparire l’intero universo neoformato.

Poiché questo non corrisponde alla realtà che osserviamo, si ritiene che un leggero squilibrio in favore della materia (forse causato da una violazione della simmetria CP) abbia fatto sì che quest’ultima non venisse completamente annichilata, rendendo possibile la formazione dell’universo in cui viviamo attraverso il processo della bariogenesi.

Nuovi e più dettagliati sviluppi su questi aspetti, che coinvolgono le alte energie in gioco nei primi istanti dell’universo primordiale, sono attesi dagli esperimenti programmati al Large Hadron Collider del CERN di Ginevra

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Lamb, WE, Jr & Retherford, RC Struttura fine dell’atomo di idrogeno con un metodo a microonde. Phys. Rev . 72 , 241-243 (1947).
  2. Tomonaga, S. Su una formulazione relativisticamente invariante della teoria quantistica dei campi d’onda. Prog. Theor. Phys . 1 , 27–42 (1946).
  3. Schwinger, J. Sull’elettrodinamica quantistica e il momento magnetico dell’elettrone. Phys. Rev . 73 , 416–417 (1948).
  4. Feynman, RP Approccio spazio-temporale all’elettrodinamica quantistica. Phys. Rev . 76 , 769–789 (1949).
  5. Amici della Scienza – www.focusuniverse.com
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nadia Basotti
nadia Basotti
26 Febbraio 2020 5:07 PM

Molto bello poter accedere alla lettura di questi argomenti di fisica quantistica.
GRAZIE

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