Cos'è l'antimateria e dove ci porterà in futuro

L'antimateria è una delle scoperte più affascinanti che abbiamo mai fatto, ed ha applicazioni che potreste non conoscere.

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L'universo è un luogo immenso, talmente grande che è impossibile riuscire anche solo a immaginarlo. Ecco cosa dice, a proposito delle distanze interstellari, la Guida Galattica per gli Autostoppisti (c'è anche il film e, pare, a breve la serie).

"A voler essere giusti però, bisogna dire che, quando ci si confronta con le immense distanze che ci sono fra le stelle, menti più brillanti di quella responsabile dell'introduzione alla Guida si dimostrano non all'altezza. Alcuni ad esempio, per darvi un'idea delle distanze, vi invitano a pensare a una nocciolina confrontata con la città di Reading; altri vi invitano a pensare alla differenza tra una noce e Johannesburg, e via dicendo con queste sciocche facezie.
La verità invece è che le distanze interstellari non possono essere comprese, dalla limitata immaginazione umana. Perfino la luce, che viaggia così in fretta che alla maggior parte delle razze occorrono migliaia di anni per capire che appunto viaggia, impiega abbastanza tempo per andare da una stella all'altra.
"

La vastità dell'universo è tale da riservare sorprese continuamente e lasciarci, la maggior parte delle volte, con più domande che risposte. Perché le galassie ruotano così velocemente, molto più velocemente di quello che sostengono i calcoli? Perché, se esiste l'antimateria, non ci sono intere galassie composte da questa invece che della materia regolare? Potremo mai usare l'antimateria come forma di energia?
Questi strani quesiti introducono due concetti fondamentali: materia oscura e antimateria. Due oggetti completamente diversi e troppo spesso confusi l'uno con l'altro. Ma cosa sono?

Oggi parliamo di antimateria!

Antimateria: cenni storici

La fisica quantistica, all'inizio del ventesimo secolo, ha stravolto completamente tutto ciò che credevamo sul nostro mondo, specialmente per quel che riguarda l'infinitamente piccolo. In particolare, tra le molte cose che ha scardinato, ci ha detto che la materia che vediamo solitamente, la sola con cui avevamo interagito per millenni, non era l'unica materia possibile. Ci sarebbe potuta essere l'antimateria. E cosa sarebbe? Materia uguale in tutto e per tutto a quella che conosciamo, ma di segno opposto.
La prima serie di ipotesi dell'esistenza dell'antimateria fu nel 1928, ad opera del famoso fisico Paul Dirac, che dedusse l'esistenza dell'antiparticella dell'elettrone, dotata di carica positiva, quale soluzione della versione relativistica dell'equazione di Schrödinger, detta appunto equazione di Dirac. In particolare, il suo intento era dare una descrizione dell'elettrone coerente con la relatività ristretta, perché credeva che la teoria proposta da Klein e Gordon presentasse punti poco soddisfacenti.

Tuttavia si accorse subito che tale equazione ammetteva come soluzioni anche elettroni aventi energia con segno negativo. Per l'epoca, un'anomalia assoluta. Inoltre l'energia negativa che caratterizzava tali soluzioni non aveva un limite inferiore, rendendo impossibile identificare uno stato di minima energia o uno stato fondamentale del sistema (in genere identificabile con il vuoto) e pertanto trovarlo in una condizione stabile.
Per risolvere questo paradosso, Dirac interpretò lo stato fondamentale come un mare di particelle che occupano tutti gli stati a energia negativa (e quindi li rendono inaccessibili secondo il principio di esclusione di Pauli), in modo da lasciare liberi solo quelli a energia positiva.

La teoria prevedeva però la possibilità che un elettrone a energia negativa potesse essere soggetto a un salto quantico, passando a energia positiva, e lasciando una lacuna nel mare a energia negativa; tale lacuna nel mare di elettroni era equivalente a una particella con carica elettrica positiva e poteva essere considerata una particella virtuale analoga all'elettrone, ma con carica elettrica opposta.
Potrebbe sembrare una cosa da poco, ma per il mondo scientifico dell'epoca era un concetto estremamente rivoluzionario. Tanto che, inizialmente si pensò, erroneamente, che ciò che aveva "scoperto" Dirac non era altro che il banalissimo protone. L'acqua calda, praticamente.

Un conto matematico ci aveva invece suggerito l'esistenza di un tipo di materia completamente nuova, che non conoscevamo ancora, e che verrà confermata sperimentalmente solo quattro anni dopo, nel 1932, da Carl David Anderson.

Nonostante non conoscesse i lavori di Dirac, durante un esperimento che mirava a capire la natura dei raggi cosmici con l'utilizzo di una camera a nebbia, trovò una particella di carica positiva con la massa dell'elettrone e lo chiamò positrone (da positive electron, elettrone positivo). Dirac commentò la scoperta affermando "la mia equazione è stata più intelligente di me".

Ad onor del vero, la teoria del "Mare di Dirac" verrà poi superata dalla teoria quantistica dei campi, in cui il positrone è interpretato come un elettrone che viaggia a ritroso nel tempo o, in modo equivalente, come una particella reale identica all'elettrone, ma con carica elettrica positiva. I fondamenti di tale teoria furono sviluppati tra i tardi anni venti e gli anni cinquanta del Novecento principalmente da esponenti come Paul Dirac stesso, Wolfgang Pauli, Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger, Richard P. Feynman e Freeman Dyson.

Il resto era solo questione di tempo.

Viene scoperto sperimentalmente l'antiprotone (1955), l'anno successivo l'antineutrone (quasi uguale al neutrone, essendo questo neutro, ma composto da antiquark, invece che da quark). Nel 1965 viene prodotto al Cern l'antideuterio, un atomo formato da un antineutrone, un antiprotone e un positrone.

Nel 1978 ricercatori italiani e francesi guidati da Giorgio Giacomelli scoprirono nuclei di antitrizio (un antiprotone e due antineutroni) e di antielio 3 (due antiprotoni e un antineutrone). Nel 1997, al CERN, ricercatori svizzeri, italiani, inglesi, danesi, giapponesi e brasiliani, nell'ambito della collaborazione ATHENA (in italiano: apparato per esperimenti di alta precisione con antimateria neutra), crearono i primi atomi di anti-idrogeno, circa 50.000. La stessa collaborazione riuscì a sintetizzare il protonio, un atomo instabile composto da un protone e da un antiprotone. Inoltre gli studi del Cern continuano costantemente.

Il 17 novembre 2010 nel corso dell'esperimento ALPHA, i ricercatori del CERN hanno imprigionato per la prima volta 38 atomi di anti-idrogeno per alcuni decimi di secondo. Nel 2011 il più grande nucleo (anti-elio 4, particella alfa) di antimateria mai catturato al mondo viene imprigionato nei Brookhaven National Laboratory.
Il 4 giugno 2011, sempre nel corso dell'esperimento ALPHA, i ricercatori del CERN sono riusciti a creare e intrappolare circa 300 atomi di anti-idrogeno per il tempo record di 1.000 secondi (oltre 16 minuti): 5.000 volte più a lungo rispetto al tempo ottenuto dallo stesso esperimento a novembre.

Creare l'antimateria

Come si fa a creare l'antimateria? Prendiamo per esempio il processo di creazione di una coppia elettrone-positrone. 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).

Tuttavia, l'antimateria prodotta in laboratorio ha vita breve (come abbiamo visto) e non può essere immagazzinata per tempi significativi in quanto, non appena entra in contatto con la sua controparte, la materia, entrambe annichiliscono. Cioè scompaiono e producono al loro posto due fotoni estremamente energetici, i raggi gamma, con un'efficienza del 100%. Questo accade in ogni istante quando l'antimateria proveniente dai raggi cosmici collide con le molecole dell'atmosfera terrestre.

In base alle attuali conoscenze, non esistono quantità significative di antimateria nell'universo. E questo è un bel mistero. Perchè, nonostante siamo circondati da materia ordinaria, non c'è ad oggi nessuna ragione sensata per cui l'universo avrebbe dovuto scegliere questa, invece che la controparte. Certo qualcuno potrebbe obiettare, ed avrebbe ragione, che è tutto relativo. D'altronde la carica elettrica è del tutto arbitraria.

Ciò che noi chiamiamo più, poteva essere chiamato meno e tutto avrebbe funzionato ugualmente, e il positrone sarebbe stato l'antiparticella dell'elettrone, uguale all'elettrone ma con carica negativa.
Insomma l'antimateria è speculare in tutto e per tutto, e chissà, potrebbero esistere mondi composti di antimateria. Tuttavia, come direbbe in una battuta il fisico di Oxford Frank Close, bisogna stare "bene attenti a stringere la mano a qualche alieno che proviene dalle pieghe dello spazio-tempo infinito: se fosse un anti-uomo rischiereste di disperdervi nel cosmo come un flusso di pura energia!".

Ma quante possibilità ci sono che esistano mondi fatti di antimateria?

Idealmente, seguendo la teoria del Big Bang, se nell'universo iniziale materia e antimateria fossero state presenti in proporzioni uguali, avrebbero dovuto dare luogo a un immediato processo di annichilazione che avrebbe fatto scomparire l'intero universo neoformato. Morti sul nascere. 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.

Inoltre, se esistessero galassie fatte di antimateria, osserveremmo l'energia prodotta dalle reazioni di annichilazione prodotte tra l'incontro di queste galassie e la materia ordinaria. Certo, il non aver mai osservato tale evento non esclude nulla. Potremmo, per esempio, osservarlo per la prima volta domani mattina.

La teoria del Big Bang però, nonostante sia la più accreditata, non è l'unica teoria valida che spiega l'assenza di antimateria nei "nostri radar".
Nel mondo scientifico si ritiene possibile anche un'altra ipotesi: la gravità inversa. Secondo alcune teorie la quantità di materia e di antimateria prodotta all'origine dell'universo era perfettamente bilanciata, ma la materia e l'antimateria presto si sono allontanate a causa di una sorta di "repulsione gravitazionale".

Per comprendere questo fenomeno possiamo prendere una formula di fisica classica ben nota, la legge della gravitazione universale di Newton. Se assumiamo che l'antimateria possieda una massa negativa e la materia una massa positiva si capisce come nel caso di gravitazione tra due corpi o due anti-corpi la forza gravitazionale risulti positiva, ossia attrattiva, ma quando si ha una gravitazione tra un corpo e un anti-corpo il prodotto tra le due masse sarà negativo e dunque la forza gravitazionale provocherà una repulsione reciproca.

L'antimateria sarebbe quindi semplicemente confinata in una porzione di universo separata dalla nostra e non si potrebbe avvicinare a causa della repulsione gravitazionale. Ciò che più è interessante in questa teoria è che, oltre al mistero dell'assenza dell'antimateria nella nostra parte di universo, spiegherebbe anche l'espansione accelerata dell'universo senza dover ricorrere a energia o materia oscura. Alla dimostrazione di queste teorie lavora il progetto AEgIS, al CERN, gestito in collaborazione con l'IIF e il Politecnico di Milano.

Applicazioni

Avrete capito che l'antimateria è un oggetto che conosciamo abbastanza bene, ormai. Ci sono molte domande, ma abbiamo anche molte risposte. Tanto che sappiamo generarla, controllarla e persino applicarla alla tecnologia moderna. Ad esempio, potreste trovarvi a dover fare una PET (ovvero una tomografia ad emissione di positroni), che è uno strumento di diagnostica medica che utilizza l'emissione di positroni (antimateria) di un radioisotopo a rapido decadimento, introdotto nell'organismo insieme ad una sostanza metabolicamente attiva. La superiore attività metabolica dei tessuti alterati, ad esempio quelli tumorali, determina una maggior concentrazione della sostanza in queste zone "malate", con più numerosi processi di annichilazione positrone-elettrone e conseguente maggiore liberazione di energia sotto forma di fotoni, evidenziata da un apparecchio rivelatore. Ma sono stati fatti anche studi su un utilizzo di antiparticelle in radioterapia.

E come fonte di energia come se la cava?

Se una parte di antimateria annichilisce a contatto con della materia ordinaria, tutta la massa delle particelle e antiparticelle annichilate viene convertita in energia. Questo processo permette di ottenere enormi quantità di energia da pochissima materia e antimateria, al contrario di quanto avviene invece per le reazioni nucleari e chimiche, dove a parità di massa di combustibili utilizzati viene prodotta una quantità di energia molto più piccola.
La reazione di 1 kg di antimateria con 1 kg di materia produce circa 4.000.000.000 (4 miliardi) di volte l'energia che si ottiene bruciando 1 kg di petrolio, e circa 70 volte l'energia prodotta dalla fusione nucleare di un kg di idrogeno in elio.

A livello teorico, dato che l'energia prodotta dall'annichilimento materia/antimateria è nettamente superiore a quella prodotta da altri sistemi propulsivi, il rapporto tra peso del carburante e spinta prodotta sarebbe estremamente vantaggioso.

L'energia ottenibile dalla reazione di pochi grammi di antimateria con altrettanti di materia sarebbe sufficiente a portare una piccola navicella spaziale sulla Luna. Tuttavia, generare un singolo atomo di antimateria è immensamente dispendioso, di conseguenza non la si può considerare una fonte di energia. Per produrre antimateria sono necessari acceleratori di particelle ed enormi quantità di energia, molto superiori a quella prodotta dall'annichilazione con la materia ordinaria, rendendo di fatto l'impresa energeticamente ed economicamente non conveniente. La cifra per produrre 10 milligrammi di positroni è stata stimata in 250 milioni di dollari, equivalenti a 25 miliardi di dollari per grammo. La NASA fece una stima di 62.500 miliardi di dollari per produrre un grammo di antidrogeno, considerandolo quindi il materiale più costoso da produrre al mondo.

Se fosse possibile produrre e allo stesso tempo immagazzinare facilmente l'antimateria, il suo uso potrebbe estendersi anche allo smaltimento dei rifiuti , compresi quelli a elevata tossicità, come le scorie nucleari. Faremmo cioè scomparire i rifiuti annichilendoli con "antirifiuti". Tuttavia, a meno che non vengano scoperte fonti naturali di antimateria (la NASA ha anche valutato la possibilità di raccogliere con campi magnetici l'antimateria che si forma spontaneamente nelle fasce di van Allen attorno alla Terra o attorno ai grandi pianeti come Giove), il suo possibile sfruttamento rimarrà una mera curiosità scientifica.

Lo so, avete ragione, le applicazioni più interessanti e sbalorditive ci sono in questo momento negate. Ma il futuro potrebbe essere interessante, da questo punto di vista. Chissà se non vedremo con i nostri occhi un motore ad antimateria, tra 30 o 40 anni!