Schema dell'esperimento creato per generare il fascio di anti-idrogeno. In verde c'è una cavità a micro-onde per indurre le transizioni iper-fini, i magneti usati sono in rosso e grigio, mentre in oro c'è il rilevatore per l'antimateria. Credit: Stefan Meyer Institut
Dopo anni di studi ed esperimenti, gli scienziati del CERN di Ginevra sono riusciti per la prima volta a produrre un fascio di atomi di anti-idrogeno (l'equivalente in antimateria dell'idrogeno). In uno studio rilasciato oggi sul giornale scientifico Nature Communications, il team dell'esperimento ASACUSA spiega di aver rilevato con certezza 80 atomi di anti-idrogeno a 2.7 metri di distanza dalla sorgente che li ha prodotti. Questo risultato è un grandissimo passo in avanti verso un'analisi spettroscopica completa dell'antimateria.
Uno dei motivi per cui gli scienziati sono così interessati all'antimateria riguarda la sua assenza nell'universo. Perché abbiamo così tanta materia, piuttosto che antimateria, rimane ancora oggi un mistero. È possibile che la spiegazione si nasconda nelle caratteristiche stesse dell'antimateria, così gli scienziati stanno cercando di produrne una quantità sufficiente per poterla studiare come si fa con la normale materia.
Gli atomi di anti-idrogeno vengono prodotti "mischiando" positroni (anti-elettroni) e antiprotoni a bassa energia prodotti dal Deceleratore Antiprotonico.
Uno dei motivi per cui gli scienziati sono così interessati all'antimateria riguarda la sua assenza nell'universo. Perché abbiamo così tanta materia, piuttosto che antimateria, rimane ancora oggi un mistero. È possibile che la spiegazione si nasconda nelle caratteristiche stesse dell'antimateria, così gli scienziati stanno cercando di produrne una quantità sufficiente per poterla studiare come si fa con la normale materia.
Gli atomi di anti-idrogeno vengono prodotti "mischiando" positroni (anti-elettroni) e antiprotoni a bassa energia prodotti dal Deceleratore Antiprotonico.
Secondo le previsioni, lo spettro dell'idrogeno e quello dell'anti-idrogeno dovrebbero essere identici; quindi rilevare anche delle piccolissime differenze aprirebbe le porte a tanta fisica nuova e, forse, riusciremo a risolvere il dilemma legato al dominio della materia.
Con un solo protone accompagnato da un solo elettrone, l'idrogeno è l'atomo più semplice dell'universo ed è anche uno dei sistemi più studiati e meglio compresi nella fisica moderna. Per questo riuscire a comparare l'idrogeno e l'anti-idrogeno costituirebbe uno dei modi migliori per mettere alla prova le nostre teorie intorno alla simmetria materia/antimateria che, ricordiamo, prevedono che cambi solo la carica, ma le caratteristiche restino identiche.
Con un solo protone accompagnato da un solo elettrone, l'idrogeno è l'atomo più semplice dell'universo ed è anche uno dei sistemi più studiati e meglio compresi nella fisica moderna. Per questo riuscire a comparare l'idrogeno e l'anti-idrogeno costituirebbe uno dei modi migliori per mettere alla prova le nostre teorie intorno alla simmetria materia/antimateria che, ricordiamo, prevedono che cambi solo la carica, ma le caratteristiche restino identiche.
Come avrete già sentito, il contatto tra materia ed antimateria porta all'annichilimento immediato di entrambi, quindi, oltre alla difficoltà di riuscire a creare l'anti-idrogeno, gli scienziati devono fare i conti anche con la necessità di far resistere l'anti-idrogeno abbastanza a lungo da eseguire i test. Per farlo, gli esperimenti si basano sulle proprietà magnetiche dell'anti-idrogeno (simili a quelle dell'idrogeno ordinario) e usano campi magnetici non-uniformi molto potenti, che possono intrappolare anti-atomi per un tempo sufficiente alla loro osservazione e studio. Tuttavia i fortissimi campi magnetici rendono le proprietà spettroscopiche degli anti-atomi molto difficili da rilevare. Per avere una spettroscopia ad alta risoluzione pulita, la collaborazione ASACUSA ha sviluppato un set-up nuovo ed innovativo che permette di trasferire atomi di anti-idrogeno in una regione dove possono essere studiati in volo, lontano dai forti campi magnetici.
"Gli atomi di anti-idrogeno non hanno una carica, ed è stata una grande sfida riuscire a trasportarli fino alla trappola. I nostri risultati sono molto promettenti per quanto riguarda gli studi ad alta precisione sugli atomi di anti-idrogeno, in particolare sulla struttura iper-fine, che è una delle due proprietà meglio conosciute dello spettro dell'idrogeno. Stiamo aspettando con trepidazione di riprendere gli esperimenti quest'estate, quando avremo un set-up ancora più performante." ha spiegato Yasunori Yamazaki che lavora all'acceleratore RIKEN in Giappone, strumento fondamentale nella collaborazione ASACUSA. Il prossimo passo per l'esperimento sarà ottimizzare l'intensità e l'energia cinetica dei raggi di anti-idrogeno e cercare di capire meglio i loro stati quantistici.
Il progresso degli esperimenti sull'antimateria presso il CERN ha avuto una forte accelerazione negli anni recenti. Nel 2011 l'esperimento ALPHA è riuscito a catturare atomi di anti-idrogeno per ben 1000 secondi; l'anno seguente ha inoltre ottenuto osservazioni di transizioni iper-fini di anti-atomi intrappolati. Nel 2013 l'esperimento ATRAP annunciò la prima misurazione diretta del momento magnetico di un anti-protone con una precisione frazionale di 4.4 parti per milione!
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