ALICE conferma la simmetria tra materia e antimateria

L’«occhio» di ALICE, uno dei quattro rivelatori di particelle che si trovano presso il superacceleratore LHC (Large Hadron Collider) del CERN di Ginevra, continua a offrirci scorci di natura a livello subnucleare.

 

Le misure di ALICE

Fisici italiani dell’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) che lavorano all’esperimento ALICE (A Large Ion Collider Experiment) e studiano le collisioni fra nuclei di piombo hanno misurato con una precisione senza precedenti la massa di particelle di antimateria, confermando l’esistenza di una simmetria di base in natura.

Si tratta della cosiddetta simmetria “CPT” (Carica, Parità, Tempo), secondo cui se esiste un nucleo, deve esistere anche un nucleo con la stessa massa ma di carica opposta. Grazie all’abbondante produzione di nuclei leggeri ottenuti con le collisioni tra nuclei pesanti di piombo, l’esperimento ALICE è riuscito a isolare un campione costituito da un milione di nuclei di antideuterio e da migliaia di nuclei dell’isotopo leggero dell’antielio, e a misurarne la differenza di massa rispetto ai corrispondenti nuclei di materia.

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Il rivelatore ALICE, una gigantesca macchina lunga 26 metri, alta 16 e pesante 10 000 tonnellate. È progettato per ricreare le condizioni della materia pochi milionesimi di secondo dopo il Big Bang in una minuscola sfera che raggiunge la temperatura di duemila miliardi di gradi, oltre centomila volte quella del Sole (immagine: INFN)

 

Simmetria perfetta tra materia e antimateria

Questa differenza è risultata pari a zero entro le incertezze sperimentali, con una precisione di una parte su 10.000 nel caso dell’antideuterio e di una parte su 1000 per l’antielio. In genere, misure di questo tipo richiedono esperimenti dedicati. ALICE, invece, ha un altro obiettivo: produrre e analizzare un plasma di quark e gluoni simile a quello prodotto nei primi istanti successivi al Big Bang.

Lo strumento tuttavia è così sofisticato, ai limiti della tecnologia esistente, da riuscire a tracciare e a identificare un elevatissimo numero di particelle prodotte con le collisioni, e consente quindi di effettuare misure molto diverse fra loro.

 

Il rivelatore TOF

I fisici di ALICE hanno utilizzato per questa misura il rivelatore di tempo di volo TOF (Time of Flight, letteralmente “tempo di volo”). Il tempo di volo è la misura del tempo che impiega una particella prodotta in una collisione a raggiungere il rivelatore, posto a circa 4 m di distanza. Una particella di luce, il fotone, impiega poco più di 10 nanosecondi, 10 miliardesimi di secondo, a raggiungere il rivelatore.

I nuclei di antideuterio, invece, sono più lenti del 30%, e proprio per il loro ritardo di 5 nanosecondi rispetto alla luce i fisici possono identificarli. Conoscendo la loro energia (più precisamente la quantità di moto), attraverso la misura del loro ritardo si può misurare con grande precisione la loro massa.

 

Una conferma a 50 anni di distanza

La ricerca, che segna il debutto di ALICE sulla rivista Nature Physics, conferma con dati molto più precisi quanto dimostrato cinquant’anni fa, nel 1965, dal gruppo del CERN guidato da Antonino Zichichi: l’esistenza di un’antimateria nucleare.

Ma che cos’è esattamente l’antimateria? Si potrebbe definire la controparte speculare della materia che costituisce l’universo. La sua esistenza fu ipotizzata per la prima volta nel 1930 dal premio Nobel per la fisica Paul Dirac. La prima antiparticella, scoperta nel 1932 fu il positrone, cioè l’antiparticella dell’elettrone oggi utilizzata nella PET (Tomografia a Emissione di Positroni), ma in seguito furono identificati anche altri antinuclei.

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Le misure della massa di particelle e antiparticelle nel corso dell’esperimento ALICE aiuterà gli scienziati a comprendere meglio la natura dell’universo e le leggi che lo governano (immagine: topfive.it)

 

Il mistero dell’antimateria scomparsa

Quando entrano in contatto, particelle e antiparticelle si annichiliscono, cioè si trasformano in radiazione elettromagnetica, oppure formano coppie di particelle-antiparticelle. I fisici ritengono che in origine materia e antimateria si equivalessero, mentre nell’universo di oggi l’antimateria è rara. Quella prodotta dagli esperimenti come ALICE, infatti, viene subito annichilata dalla materia, e può essere rilevata dai suoi raffinati strumenti solo per brevissimi istanti.

Non si sa il motivo per cui la materia abbia avuto la meglio sull’antimateria; è uno dei tanti misteri che i ricercatori del CERN cercano di svelare. Questo e altri studi aiuteranno forse a stabilire quale delle molte teorie sulle leggi fondamentali dell’universo sia la più plausibile.

Immagine banner in evidenza: Wikimedia Commons

Immagine box in homepage: INFN

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