Müller Thomas
Il modello standard. L'antimateria e la simmetria CPT
Gio, 28/06/2007 - 15:35 — michele_bonaventuraAutore:
Müller Thomas
Tutti abbiamo sentito parlare di antimateria.
È un argomento esotico e gettonatissimo sui giornali e gli inserti di divulgazione scientifica. È fonte di sogni e congetture e lo si ritrova in quasi tutti i film di fantascienza.
Ma cos’è precisamente l’antimateria?
La prima congettura sull’antimateria risale al 1930 ad opera di Paul Dirac, un fisico che abbiamo già incontrato tra i fondatori della meccanica quantistica.
L’idea di Dirac era piuttosto semplice:
egli assimilava la carica di una particella negativa, come l’elettrone, ad un buco, l’assenza di una carica elettrica. Questo buco, questo qualcosa che manca, si propaga attraverso gli oggetti; ad esso associamo quindi una particella con carica negativa, l’elettrone, in movimento attraverso un materiale.
Una placca di ferro viene allora immaginata come una superficie piatta globalmente neutra su cui si muovono dei “buchi”, luoghi in cui manca della carica elettrica e che diventano quindi carichi negativamente.
L’analogia immediata è quella di un buco al contrario, una collinetta quindi, che si propaga allo stesso modo, ma con carica positiva.
Una particella naturalmente è qualcosa in più di una carica elettrica: l’immagine classica è quella di una biglia con una massa, un carica elettrica, una rotazione su se stessa, una dimensione, una probabilità di scontrarsi e molte altre proprietà.
Il modello a biglia è però fuorviante dal momento che il raggio della particella-biglia è zero; diventa difficile quindi immaginare la particella come un oggetto concreto e si preferisce talvolta pensare a dei “campi”, lunghe distese di fluidi su cui si muovono delle onde.
Se facessimo un’analogia con delle particelle conosciute potremmo descriverle così:
- protone: carica positiva, grande massa. È quindi un’onda verso l’alto (carica positiva), molto alta (grande massa).
- Elettrone: carica negativa, piccola massa (mille volte più piccola del protone). È un avvallamento (carica negativa) molto basso (massa).
- Neutrone: nessuna carica e massa simile al protone. Possiamo pensare a dell’acqua in movimento senza che si formi un'onda, ma siamo arrivati ai limiti dell’analogia, qui assai evidenti.
Potremmo associare a ogni onda una lunghezza (un cavallone che spazza tutta una spiaggia o piuttosto un’onda di pochi metri) e immaginare che da essa dipendano le possibilità di scontrarsi con un’altra onda.
Altre proprietà sono immaginabili.
L’idea di Dirac si riduce a costruire una simmetria; per ogni onda possibile costruiamo una copia identica ma rivoltata dall’alto verso il basso o viceversa.
Matematicamente equivale a invertire la carica elettrica senza cambiare il resto.
Cosa succede se un’onda e un avvallamento si scontrano? È chiaro che l’onda viene inghiottita dall’avvallamento e scompare. In compenso tutta l’energia contenuta nell’onda e nel suo opposto simmetrico viene liberata.
Questo è quindi l’antimateria: un gemello simmetrico della materia. Ogni particella ha la sua antimateria; in questo modo esistono gli antiquark, gli antielettroni, gli antineutrini.
Una antiparticella ha carica e elicità opposti alla sua particella. L’elicità indica il “senso di rotazione”, orario o antiorario, tenendo conto naturalmente che si tratta di un’analogia (la particella-biglia).[1]
La congettura di Dirac è stata confermata dall’esperienza è si è scoperto che esiste effettivamente l’antimateria, con tutte le proprietà attese, e anche qualcuna inattesa.
Se proseguiamo la nostra analogia possiamo infatti domandarci come è nata la materia.
Immaginiamo che a un dato momento l’universo fosse riempito di energia in grande quantità; sappiamo che questo è avvenuto poco dopo il Big Bang (cfr. cosmogonia).
Nell’analogia del mare, ciò equivale a immaginare che qualcuno percuota la superficie dell’acqua un po’ ovunque con dei bastoni. Immediatamente si creano delle onde in tutte le direzioni che si scontrano e si annullano con degli avvallamenti. A un dato momento l’energia sparisce, e dunque non si creano più né onde né avvallamenti.
Ci aspetteremmo che tutte le onde e gli avvallamenti si scontrino e che torni la calma.
Questo però significherebbe la scomparsa della materia (le onde), e quindi sappiamo per certo che il modello è sbagliato! Di materia possiamo vederne ovunque.
Deve quindi esistere una leggera asimmetria tra materia e antimateria, pari (calcoli alla mano) a un miliardo e un atomo di materia per distruggere un miliardo di atomi di antimateria.
Questo permette di spiegare le proporzioni di massa e energia nell’universo.
A questo punto la simmetria è distrutta; un fatto sempre scomodo in fisica.
Comincia così il balletto delle simmetrie. Dirac era riuscito a predire l’antimateria con delle simmetrie (la simmetria C di carica/elicità), quanto basta per cercarne di nuove: primo candidato la simmetria CP (carica e parità).
Parità è una proprietà nuova, equivalente a distinguere la destra e la sinistra, il davanti e il dietro. (Non confondere la parità con l’elicità, la parità riguarda le coordinate nello spazio, mente l’elicità è simile allo spin).
La simmetria C immaginava che un universo fatto di antiparticelle fosse identico a uno fatto di particelle; sappiamo che è falso.
La simmetria CP postula che se invertissimo tutte le cariche delle particelle e anche tutte le direzioni (se andavano a destra le mandiamo a sinistra e se andavano in avanti le mandiamo indietro), allora avremmo un universo indistinguibile.
Per chiarirvi il problema immaginate di comunicare con un alieno e cercare di spiegargli come stringere la mano; avrete bisogno di specificare cosa è la destra e cosa la sinistra.
Se a questo punto decidete di incontrarvi, e, sceso dall’astronave, l’alieno vi porge la mano sinistra scappate! È sicuramente fatto di antimateria.
Perché? Perché se non capisce la differenza destra-sinistra (tutto per lui è identico scambiandole) allora deve vivere in un mondo di antimateria. Cambiando la carica e la parità non si possono distinguere le molecole o le particelle; questo è il succo della geometria CP.
Anche questa simmetria però ha dei difetti; è stato dimostrato con una serie di esperienze di laboratorio che non funziona. Esistono in altre parole delle esperienze più complicate che riescono a distinguere la materia che si muove verso destra dall’antimateria che si muove verso sinistra. La differenza è percepibile quando le particelle si trasformano una nell’altra (decadimento).
La terza e fin’ora efficace simmetria è detta CPT, Carica Parità e Tempo, e inverte anche lo scorrere del tempo.
Fino ad oggi questa si è rivelata una simmetria veritiera. Se doveste cioè invertire la carica della particelle, le direzioni destra e sinistra e lo scorrere del tempo otterreste un universo assolutamente identico a quello attuale.
Esiste un teorema che postula che se la geometria CPT è errata allora lo è anche la meccanica quantistica.
Si attendono ulteriori svlluppi.
[1] Alcune particelle composte da quark possono dare luogo a casi particolari:
ad esempio il neutrone è composto da tre quark, up down down, ogni quark ha una carica elettrica, ma globalmente le cariche si annullano.
L’antineutrone è formato dai quark antiup antidown antidown, con cariche elettriche opposte ma globalmente la loro somma resta zero.
Quindi l’antineutrone ha la stessa carica del neutrone, ma sono due particelle diverse.
Esiste anche il caso in cui una particella è composta da un quark e un antiquark, ad esempio up e antiup, con carica complessiva nulla. La sua antiparticella sarà antiup up, quindi in questo caso la particella e l’antiparticella sono identiche.
tm
ISBN/EAN:
00000
- Login o registrati per inviare commenti
Top Writers
Commenti
Mi sa che sono partito bene, ma verso la fine diventa un caos.
Domani provo a rileggerlo e in base ai commenti ritocco un po'.
come dici tu. parti bene poi un po' delirante. Molto suggestivo in ogni caso.
Tornando ai fatti spiccioli. Supponiemo che una teoria qualunque di quelle elencate fosse giusta. Quali sarebbero le ricadute tecnologiche?
"Se doveste cioè invertire la carica della particelle, le direzioni destra e sinistra e lo scorrere del tempo otterreste un universo assolutamente identico a quello attuale.
Esiste un teorema che postula che se la geometria CPT è errata allora lo è anche la meccanica quantistica.
Si attendono ulteriori svlluppi."
> tienici informati in proposito.
Quanto vorrei saper intervenire in queste questioni. Grazie per la condivisione, intanto.
Ho sistemato qualche refuso e riletto; temo che non ce la si cavi più facilmente di così.
Intanto rifletto al prossimo pezzo.
Le ricadute tecnologiche dell'antimateria: buon metodo di infilare tanta energia in poco spazio, ma siamo più nell'ordine della fantascienza. In generale è interessante soprattutto come test del modello standard, fattibile in laboratorio.
Le ricadute della simmetria CPT: se sconfessata dall'esperienza siamo nella merda; si dovrebb buttare tutta la teoria quantistica e in questo momento sembra molto inverosimile.
Ricadute del modello standard: possibile teoria unificata delle forze elementari (quella che chiamano teoria del tutto).
Ricadute della violazione della geometria CP: un Nobel a chi l'aveva prevista e credo sia servita a scrivere il modello elettrodebole, ma non sono sicuro (la teoria che unifica la forza debole e l'elettromagnetismo).
Generalmente la cosmologia non ha nessuna ricaduta tecnologica diretta; le ricadute tecnologiche si hanno grazie alle infrastrutture come il CERN che hanno come scopo di indagare sul problema, ma che fanno uso di tecnologie avanguardiste come immensi computer o superconduttori e che permettono di lanciare le tecnologie del futuro ancora troppo costose per l'uso spiccio.
L'interesse del problema in se è di altra natura, più che altro curiosità sulle origini dell'universo che non utilizzo ingegneristico.
>5,6 grazie per il compendio.
Salve a tutti e grazie per questa spiegazione. Ho sentito che per il viaggio du Marte si sta ipotizzando un reattore ad antimateria, in quanto uno dei problemi, per una meta così distante è la quantità di carburante necessaria pur sfruttando, come fanno di solito, le orbite di altri pianeti per creare l'effetto fionda. L'unica cosa che non capisco è la metafora dell'alieno. Cosa si intende precisamente per universo indistinguibile? se si ipotizza di invertire sia la carica che il senso di rotazione, cio che è antimateria diventa materia e viceversa (ipotizzando nessuna influenza del fattore tempo, il cui ruolo non riesco a comprenderlo fino in fondo). Ad una prima lettura pensavo indistinguibile dal nostro ma il fatto della mano mi ha fatto capire che stavo sbagliando. Mi potreste chiarire questo aspetto? grazie ancora ciao
Il problema in origine nasceva dalla possibilità di distinguere in modo unilaterale, ad esempio, la destra e la sinistra, in altre parole di attribuire il nome giusto (D) alla direzione giusta (d).
Io ad esempio distinguo la direzione d e la chiamo D, perché é quella della mano con cui mangio. Però se dovessi spiegare a un essere senziente, ma non umano, come posso spiegargli che direzione d si chiama D e non S?
Lui, si suppone, non ha un cuore, o un emisfero favorito del cervello, oppure un qualche fattore noto che distingua d da s in modo unilaterale.
Se esiste un'esperienza che posso spiegare (ad esempio: invia attraverso un certo campo, delle particelle di un certo tipo) e so che il risultato è: 70% delle particelle seguono la direzione d, 30% la direzione s, allora posso scrivere al mio amico alieno: la direzione presa dal 70% delle particelle si chiama D e l'altra S.
Se però l'alieno vive in un mondo di antimateria, fatto improbabile, allora le antiparticelle che gli descrivo hanno tutte le proprietà delle particelle del mio mondo, tranne il fatto che l'esperienza che gli fornisco darà come risultato che il 70% prenderà direzione s e il 30% d. Di conseguenza, lui attribuirà il nome S alla direzione d, il nome D alla disrezione s.
Quando descrittogli il cerimoniale terrestre ci incontreremo, cercherà di darmi la mano che lui chiama D, ma che è la direzione s, che io chiamo S.
Ecco quindi che sopravviene l'incidente sgradevole sopra accennato.
Il fattore tempo significa che se il mondo dell'alieno scorre dal futuro verso il passato, allora non potrò in nessun modo trovare un'esperienza che distingua il mio mondo, fatto di materia, con parità e tempo come li conosco, dal suo con pariztà e cariche invertite e che scorre dal futuro verso il passato.
Non è molto chiaro come un simile mondo possa comunicare col mio, quindi non è un problema troppo grave; è più un cavillo docuto all'interpretazione di Feynmann, che descrive le particelle come aventi una direzione temporale di scorrimento, non per forza unilaterale.
L'argomento dell'antimateria mi ha sempre affascinato lasciandomi incantato. Purtroppo alcuni dubbi che avevo, nonostante l'ottima analogia "particella = onda" mi restano ancora oscuri!!
Ok per la faccenda dei nutroni composti da quark e antineutroni composti dai rispettivi anti-quark. Un po' più confuso, invece, mi è il concetto che una particella priva di carica può avere un'antiparticella solo in base ad un anti-spin. Dubbio dettato più dalla mia ignoranza che da un ragionamento: una particella non può cambiare spin durante la sua vita?
E poi la questione degli antineutrini: mi sono appassionato all'argomento dai tempi del quiz ad indizi di Alberto Castagna, nel quale in orario da casalinghe si pensava che qualcuno potesse dare la risposta esatta, dopo mesi e mesi di indizi. La risposta esatta era "antineutrino della particella tau", non lascio commenti in proposito perchè ritengo più degno preservare l'usura dei tasti della tastiera. I neutrini sono neutri e non sono composti da quark mi pare, anzi la prova che abbiano una massa è conquista di pochissimi anni fa: quindi si può davvero arrivare al concetto di antineutrino? Ha uno spin? Anche un fotone ha uno spin? Basta uno spin opposto, dato che non ci sono altre proprietà alle quali appellarsi, per avere un antineutrino? oppure, come io sospetto da anni, neutrino e antineutrino sono in realtà particelle identiche (quindi che senso ha distinguerle???) ?
Ma soprattutto, com'è possibile che particelle siano composte da quark+antiquark senza che si annichiliscano a vicenda?? Aiutatemi!
Riguardo le teorie CP e CPT...forse aspetterò una teoria più definitiva prima di addentrarmi nello studio più profondo, amo la fisica ma...le mie risorse mentali e il tempo a disposizione sono in un universo parallelo! ;)
L'elicità, per le particelle elementari, quali sono i quark e i neutrini, è una proprietà intrinseca, come la carica o la massa, e non puù cambiare. Lo spin invece è una faccenda un po' diversa.
L'elicità dei neutrini è sempre sinistrorsa (destrorsa per gli antineutrini). Sono stati postulati, ma mai trovati neutrini destrorsi e antineutrini sinistrorsi, che avrebbero massa molto grande.
Il concetto di antineutrino è soltanto quello di un neutrino gemello, capace di disintegrarsi quando incontra il proprio compagno. È vero che non hanno grandi differenze altrimenti: puoi sempre pensare all'antineutrino come a una particella che corre nel tempo in senso opposto, ma è un'immagine fuorviante. Queste proprietà (freccia del tempo, elicità, spin) sono solo numeri, che abbinati alle particelle, consentono di costruire un modello matematico predittivo.
Non vanno prese troppo sul serio nella loro interpretazione intuitiva.
[antimateria - ansa] ROMA -
[antimateria - ansa] ROMA - Al Cern di Ginevra, in una macchina grande come uno scaldabagno, sono intrappolati i primi atomi di antimateria creati in laboratorio. Non era mai accaduto finora di poter studiare direttamente la materia che ha caratteristiche opposte a quelle della materia ordinaria, come se la riflettesse in uno specchio. Il risultato, ottenuto nell'esperimento internazionale Alpha, e' pubblicato su Nature.
''E' una soddisfazione guardare all'apparecchiatura Alpha e sapere che contiene atomi stabili e neutri di antimateria'', ha osservato il coordinatore della ricerca, Jeffrey Hangst, dell'universita' danese di Aarhus. Per il direttore generale del Cern, Rolf Heuer, ''e' un passo in avanti significativo nella ricerca sull'antimateria''. Ci sono voluti anni di ricerche e apparecchiature gigantesche, ma alla fine si e' ottenuto qualcosa che e' ai limiti della fantascienza. L'antimateria e' stata prodotta al Cern e intrappolata come nel romanzo di Dan Brown ''Angeli e demoni'' (anche se e' impensabile portarla a spasso in una bottiglia) ed una reazione fra materia e antimateria e' alla base della propulsione dell'astronave Enterprise, della flotta stellare del ciclo di Star Trek.
Oggi 38 atomi di anti-idrogeno che sfrecciano velocissimi, al ritmo di centinaia di metri al secondo, sono stati rallentati con temperature bassissime e imprigionati in una trappola magnetica per quasi due decimi di secondo. Si trovano nel vuoto e non possono sfiorare le pareti della loro ''gabbia'': se questo accadesse sarebbe un guaio perche' se antimateria e materia entrassero in contatto si annullerebbero a vicenda in una gigantesca esplosione. ''Tenere fermi nella macchina gli atomi di anti-idrogeno e' come giocare a ping-pong senza toccare la pallina con le racchette'', spiega il fisico Roberto Battiston, dell'universita' di Perugia e dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn), responsabile dell'esperimento Ams (Antimatter Spectrometer), che a partire dal prossimo anno l'antimateria andra' a cercarla tra le stelle, agganciato alla Stazione Spaziale Internazionale. Avere imprigionato i primi atomi di antimateria e' un passo verso la possibilita' di districare uno dei piu' grandi misteri della fisica contemporanea: diventa cioe' possibile capire perche' al momento del Big Bang, quando materia e antimateria erano presenti nelle stesse quantita', in una simmetria perfetta, la materia ha avuto la meglio mentre l'antimateria e' scomparsa.
Da oggi al Cern si lavorera' per catturare un numero sempre maggiore di atomi di anti-idrogeno e per intrappolarli sempre piu' a lungo: ''diventa possibile andare a esplorare la parte piu' sensibile della fisica moderna, quella relativa alla rottura della simmetria'', ha osservato Andrea Vacchi, dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn). ''Potremo capire - ha aggiunto - perche', nonostante il Big bang abbia prodotto materia e antimateria, ora vediamo solo la materia''.
http://www.ansa.it/web/notizie/rubriche/scienza/2010/11/17/visualizza_ne...
[antimateria] ricarico in
[antimateria] ricarico in prima l'ottimo articolo di TM!