Antimateria: finalmente abbiamo un pugno di antiatomi, pronti per essere studiati / Antimatter: Finally we have a fist of anti-atoms, ready to be studied.
Antimateria: finalmente abbiamo un pugno di antiatomi, pronti per essere studiati / Antimatter: Finally we have a fist of anti-atoms, ready to be studied.
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Dal mondo della scienza è arrivata nelle scorse settimane una notizia insolita: al Cern di Ginevra è stato prodotto un fascio di atomi di anti-idrogeno (cioè l'immagine speculare dell'idrogeno nel mondo dell'antimateria). Non stiamo parlando dei soliti fasci di particelle ad altissime energie che ruotano in LHC, ma di un gruppetto di qualche anti-atomo che fluisce in un tubicino prima di finire per urtarne le pareti e annichilarsi (quando una particella incontra la sua antiparticella si disintegrano entrambe con un bel "botto"). E quindi?, ci si potrebbe domandare.
Non si tratta di una nuova scoperta, come quella, un anno fa, del celeberrimo bosone di Higgs. E' semplicemente l'annuncio di un risultato tecnicamente difficile, quello divulgato su "Nature Communication": l'esperimento ASACUSA, frutto al Cern di un'ampia collaborazione nipponico-europea, tra cui diversi ricercatori italiani, è riuscito a produrre un gruppetto di atomi anti-idrogeno e (qui sta la novità significativa) orientarne e lanciarne circa 80 verso una precisa direzione, come un fascio di particelle, fino ad una distanza di circa 2,7 metri, dove il campo elettromagnetico che ha "collimato" il fascio non è più significativo e non "disturba" questi anti-atomi. In queste condizioni sarà quindi possibile avviare la fase successiva, quella che produrrà finalmente risultati scientifici importanti, cioè misurare lo spettro energetico degli atomi di anti-idrogeno. Per la verità ci si aspetta che siano identici a quelli dell'idrogeno, ma se così non fosse ci renderemmo conto di dover rivedere basilarmente le teorie ad oggi conosciute.
L'atomo di idrogeno può essere descritto da un protone ed un elettrone che (circa duemila volte più leggero) gli ruota intorno (il principio di indeterminazione ci induce in realtà a parlare di una nuvola di probabilità elettronica intorno al nucleo, ma inutile essere troppo pignoli). Si tratta comunque di uno degli oggetti meglio conosciuti: i valori energetici ottenuti col modello "planetario" in versione quantistica vengono corretti con un contributo relativistico(per via della velocità altissima dell'elettrone occorre tener presente la teoria einsteiniana della relatività speciale) e con l'interazione spin-orbita (l'elettrone ruotando su sé stesso diventa come un ago magnetico e risente del campo magnetico da lui stesso generato nella rotazione attorno al protone, un po' come – per essere davvero pignoli nell'individuare il nord – tener conto di altre eventuali bussole nelle vicinanze che interferiscono con la propria), ed ecco il modello matematico che indica i livelli energetici possibili per l'elettrone, in precisissimo accordo con le misure sperimentali (lo spettro dell'idrogeno).
Produrre atomi di anti-idrogeno non è una passeggiata, occorre generare antiprotoni (l'antiparticella del protone) e positroni (l'antiparticella dell'elettrone), rallentarli, avvicinarli e cercare di farli ricombinare in modo che il positrone venga catturato dall'antiprotone (un po' come un meteorite che ci passi abbastanza vicino e non troppo velocemente, e venga catturato in un'orbita terrestre).
La teoria dice che una antiparticella ha carica elettrica opposta ma altre caratteristiche (come la massa) del tutto equivalenti a quelle della corrispondente particella.
Uno dei risultati già ottenuti da ASACUSA è stato la misurazione della massa dell'antiprotone (attraverso lo studio di un atomo esotico di elio, in cui un elettrone venga faticosamente sostituito da un antiprotone), che con alta precisione corrisponde a quella del protone. Masaki Hori, uno degli sperimentatori, per evidenziare la precisione della misurazione l'ha paragonata a quella che avremmo avuto "pesando" la torre Eiffel col dubbio che ci fosse un passerotto appollaiato sulla cima, assicurando che l'apparato sarà migliorato e potrà restare l'incertezza che volato via, sia rimasta una piuma…
Ora tocca allo studio dello spettro energetico dell'anti-idrogeno. Ne va della simmetria CPT, ipotesi baluardo cui i fisici sono molto affezionati. L'esistenza di quantità conservate e di simmetrie delle leggi naturali è uno dei punti fermi della Fisica, ma non è sempre facile capire quali sono. Fino alla metà del ventesimo secolo si pensava che la natura non distinguesse se si fossero invertite tutte le cariche elettriche (simmetria C) o tutte le coordinate spaziali in un mondo allo specchio (simmetria P). La teoria dell'interazione debole (Lee e Yang, 1956) e i successivi risultati sperimentali sul decadimento radioattivo (Wu, 1956-57) mostrarono che ne' la simmetria P ne' quella C sono sempre valide, ma si pensò che non si potesse distinguere un mondo in cui si fossero cambiate le due cose contemporaneamente (simmetria CP). Poi arrivò l'esperimento sul decadimento dei mesoni K (Croni e Fitch, 1964) e di nuovo i fisici si sorpresero per la "perdita" della simmetria CP (sia pure in casi molto rari in natura) comprendendo però che invertendo anche la freccia del tempo potevamo immaginare ancora un mondo speculare indistinguibile (simmetria CPT). È l'attuale linea del Piave dei fisici teorici. La battaglia dell'anti-idrogeno ci annuncerà una ulteriore (ma temporanea, fino a prova contraria, sempre possibile) vittoria o la necessità di una nuova ritirata strategica fino al consolidamento di un nuovo paradigma.
Non si tratta di una nuova scoperta, come quella, un anno fa, del celeberrimo bosone di Higgs. E' semplicemente l'annuncio di un risultato tecnicamente difficile, quello divulgato su "Nature Communication": l'esperimento ASACUSA, frutto al Cern di un'ampia collaborazione nipponico-europea, tra cui diversi ricercatori italiani, è riuscito a produrre un gruppetto di atomi anti-idrogeno e (qui sta la novità significativa) orientarne e lanciarne circa 80 verso una precisa direzione, come un fascio di particelle, fino ad una distanza di circa 2,7 metri, dove il campo elettromagnetico che ha "collimato" il fascio non è più significativo e non "disturba" questi anti-atomi. In queste condizioni sarà quindi possibile avviare la fase successiva, quella che produrrà finalmente risultati scientifici importanti, cioè misurare lo spettro energetico degli atomi di anti-idrogeno. Per la verità ci si aspetta che siano identici a quelli dell'idrogeno, ma se così non fosse ci renderemmo conto di dover rivedere basilarmente le teorie ad oggi conosciute.
L'atomo di idrogeno può essere descritto da un protone ed un elettrone che (circa duemila volte più leggero) gli ruota intorno (il principio di indeterminazione ci induce in realtà a parlare di una nuvola di probabilità elettronica intorno al nucleo, ma inutile essere troppo pignoli). Si tratta comunque di uno degli oggetti meglio conosciuti: i valori energetici ottenuti col modello "planetario" in versione quantistica vengono corretti con un contributo relativistico(per via della velocità altissima dell'elettrone occorre tener presente la teoria einsteiniana della relatività speciale) e con l'interazione spin-orbita (l'elettrone ruotando su sé stesso diventa come un ago magnetico e risente del campo magnetico da lui stesso generato nella rotazione attorno al protone, un po' come – per essere davvero pignoli nell'individuare il nord – tener conto di altre eventuali bussole nelle vicinanze che interferiscono con la propria), ed ecco il modello matematico che indica i livelli energetici possibili per l'elettrone, in precisissimo accordo con le misure sperimentali (lo spettro dell'idrogeno).
Produrre atomi di anti-idrogeno non è una passeggiata, occorre generare antiprotoni (l'antiparticella del protone) e positroni (l'antiparticella dell'elettrone), rallentarli, avvicinarli e cercare di farli ricombinare in modo che il positrone venga catturato dall'antiprotone (un po' come un meteorite che ci passi abbastanza vicino e non troppo velocemente, e venga catturato in un'orbita terrestre).
La teoria dice che una antiparticella ha carica elettrica opposta ma altre caratteristiche (come la massa) del tutto equivalenti a quelle della corrispondente particella.
Uno dei risultati già ottenuti da ASACUSA è stato la misurazione della massa dell'antiprotone (attraverso lo studio di un atomo esotico di elio, in cui un elettrone venga faticosamente sostituito da un antiprotone), che con alta precisione corrisponde a quella del protone. Masaki Hori, uno degli sperimentatori, per evidenziare la precisione della misurazione l'ha paragonata a quella che avremmo avuto "pesando" la torre Eiffel col dubbio che ci fosse un passerotto appollaiato sulla cima, assicurando che l'apparato sarà migliorato e potrà restare l'incertezza che volato via, sia rimasta una piuma…
Ora tocca allo studio dello spettro energetico dell'anti-idrogeno. Ne va della simmetria CPT, ipotesi baluardo cui i fisici sono molto affezionati. L'esistenza di quantità conservate e di simmetrie delle leggi naturali è uno dei punti fermi della Fisica, ma non è sempre facile capire quali sono. Fino alla metà del ventesimo secolo si pensava che la natura non distinguesse se si fossero invertite tutte le cariche elettriche (simmetria C) o tutte le coordinate spaziali in un mondo allo specchio (simmetria P). La teoria dell'interazione debole (Lee e Yang, 1956) e i successivi risultati sperimentali sul decadimento radioattivo (Wu, 1956-57) mostrarono che ne' la simmetria P ne' quella C sono sempre valide, ma si pensò che non si potesse distinguere un mondo in cui si fossero cambiate le due cose contemporaneamente (simmetria CP). Poi arrivò l'esperimento sul decadimento dei mesoni K (Croni e Fitch, 1964) e di nuovo i fisici si sorpresero per la "perdita" della simmetria CP (sia pure in casi molto rari in natura) comprendendo però che invertendo anche la freccia del tempo potevamo immaginare ancora un mondo speculare indistinguibile (simmetria CPT). È l'attuale linea del Piave dei fisici teorici. La battaglia dell'anti-idrogeno ci annuncerà una ulteriore (ma temporanea, fino a prova contraria, sempre possibile) vittoria o la necessità di una nuova ritirata strategica fino al consolidamento di un nuovo paradigma.
ENGLISH
An unusual news came from the world of science in the past few weeks: a bundle of anti-hydrogen atoms (ie the mirror image of hydrogen in the world of antimatter) has been produced at Cern in Geneva. We are not talking about the usual bundles of high-energy particles rotating in the LHC, but a few of the anti-atoms that flow into a tube prior to finishing to bump the walls and drown (when a particle meets its antiparticle they break down both with a nice "bang"). And so, you might ask.
This is not a new discovery, like that one year ago, of the famous Higgs boson. It is merely the announcement of a technically difficult result, the one disclosed on "Nature Communication": the ASACUSA experiment, a result of Cern's extensive Japanese-European collaboration, including several Italian researchers, has succeeded in producing a small group of anti-hydrogen atoms and (here is the novelty significant) to guide and throw about 80 in a precise direction, such as a beam of particles, up to a distance of about 2.7 meters, where the electromagnetic field that "collimated" the beam is no longer significant and does not "disturb" these anti-atoms. Under these conditions, it will be possible to start the next phase, which will ultimately produce important scientific results, that is to measure the energy spectrum of the anti-hydrogen atoms. Truthfully, they are expected to be identical to those of hydrogen, but if so, we did not realize that we had to fundamentally review the theories known today.
The hydrogen atom can be described by a proton and an electron that (about two thousand times lighter) rotates around it (the principle of indetermination actually induces us to speak of a cloud of electronic probability around the nucleus, but useless to be too much picky). It is, however, one of the best known objects: the energy values obtained with the "planetary" model in quantum version are corrected with a relativistic contribution (due to the very high velocity of the electron must be taken into account the Einsteinian theory of special relativity) spin-orbit interaction (the electron rotating on itself becomes like a magnetic needle and is susceptible to the magnetic field generated by itself in the rotation around the proton, a bit like - to be really fussy in identifying the north - take into account of other compasses in the vicinity that interfere with their own), and here is the mathematical model that indicates the electron energy levels, in a very precise agreement with the experimental measurements (the spectrum of hydrogen).
Producing anti-hydrogen atoms is not a walk, it is necessary to generate antiprotons (the proton antiparticle) and positron (the electron antiparticle), slow them down, approach them and try to recombine them so that positron is captured by antiproton (somewhat like a meteorite that moves close enough and not too fast, and is captured in a terrestrial orbit).
The theory states that an antiparticle has opposite electrical charge but other characteristics (such as mass) that are just equivalent to those of the corresponding particle.
One of the results already obtained by ASACUSA was the measurement of the antiproton mass (through the study of an exotic helium atom, in which an electron is fatally replaced by an antiproton), which with high precision corresponds to that of the proton. Masaki Hori, one of the experiments, compared the measurement accuracy to what we would have "weighed" the Eiffel Tower with the doubt that there was a sparrow perched on the top, ensuring that the apparatus would be improved and could stay 'uncertainty that flew away, has remained a feather ...
It is now up to the study of the anti-hydrogen energy spectrum. It goes with CPT symmetry, a rampart hypothesis which the physicists are very fond of. The existence of conserved quantities and symmetries of natural laws is one of the strong points of Physics, but it is not always easy to understand what they are. Until the mid-twentieth century, it was thought that nature would not distinguish if all electrical charges (symmetry C) or all spatial coordinates in a mirror world (symmetry P) were inverted. The theory of weak interaction (Lee and Yang, 1956) and the subsequent experimental results on radioactive decay (Wu, 1956-57) showed that neither P and C symmetry is valid, but it was thought that one could not distinguish a world in which the two things had changed simultaneously (CP symmetry).
Then came the experiment on the decay of the mesonics K (Croni and Fitch, 1964) and again physicists surprised by the "loss" of CP symmetry (even in very rare cases in nature), however understanding that by reversing the arrow of the time we could still imagine an indistinguishable mirror world (symmetry CPT). It is the current line of Piave's theoretical physicists. The anti-hydrogen battle will announce a further (but temporary, opposing, always possible) victory or the need for a new strategic retreat to consolidate a new paradigm.
Da:
http://www.pontediferro.org/articolo.php?ID=3004
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