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Marco G. Giammarchi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Via Celoria 16 – 20133 Milano (Italy)

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Presentazione sul tema: "Marco G. Giammarchi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Via Celoria 16 – 20133 Milano (Italy)"— Transcript della presentazione:

1 Marco G. Giammarchi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Via Celoria 16 – Milano (Italy) 1. Costituenti della materia 2. Cos’è l’Antimateria? 3. Antimateria a Terra 4. Antimateria nello Spazio 5. Antimateria e Big Bang Storia e Gloria dell’Antimateria 1LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015

2 2 Angeli o Demoni? LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015 Antimateria: protagonista di rilievo della letteratura e del cinema di fantascienza

3 3 1. Costituenti della materia 2. Cos’è l’Antimateria? 3. Antimateria a Terra 4. Antimateria nello Spazio 5. Antimateria e Big Bang Materia composta da costituenti fondamentali: molecole, atomi, nuclei  quark, leptoni (elettroni) LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015 Ossigeno Idrogeno Thomson (1897): Discovers electron

4 Costituenti fondamentali della materia: Quark e Leptoni Hanno spin e carica ben definiti Sono elementari al meglio di m Costituiscono la materia in condizioni ordinarie Costituiscono le particelle instabili 4LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015 MassaMassa Materia ordinaria Decadono in particelle stabili LeptoniQuark

5 Come si studiano le particelle elementari? Ad esempio in esperimenti con acceleratori di particelle. Tunnel di LHC, CERN (Ginevra) Ricetta: prendere particelle cariche accelerarle con sistemi elettrici e magnetici (acceleratori) farle urtare tra loro Nei grandi laboratori sistemi complessi di acceleratori portano particelle a energie elevatissime Negli urti tra queste particelle, altre particelle vengono prodotte. Massa si trasforma in energia e viceversa 5LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015

6 6 Urto tra due protoni ! Trasformazione di energia (dei protoni) in massa di nuove particelle Gli urti tra due protoni sono in realta’ urti tra i quark costituenti 6 Protone Quark LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015

7 7 I grandi complessi di acceleratori di particelle: il CERN di Ginevra

8 I grandi rivelatori di particelle: Atlas al CERN di Ginevra CDF al Fermilab (Chicago) Sistemi complessi composti da molti rivelatori specializzati 8LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015

9 In fisica quantistica Scambio di quanti Il mondo delle particelle elementari: costituenti (quark,leptoni) e portatori di forze In fisica classica: Azione istantanea a distanza Campo (Faraday, Maxwell) 9LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015

10 10 E se fosse NECESSARIA data la descrizione che abbiamo del mondo delle particelle elementari? Possiamo descrivere molti sistemi con questi criteri: Velocita’ basse v << c Velocita’ alte v simile a c Sistema macroscopico Pienamente Classico Relativistico (non quantistico) Sistema atomico Quantistico (non relativistico) Quantistico Relativistico ? 10 LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015 Perché l’Antimateria?

11 11 Particelle e antiparticelle: la “nascita” della fisica delle particelle 1928: Equazione di Dirac, sintesi di Relatività Speciale e Meccanica Quantistica. Elettrone, s=+1/2 Elettrone, s=-1/2 Positrone, s=1/2 Positrone, s=-1/2 Il positrone, particella identica all’elettrone e - ma avente carica positiva: e +. La prima previsione della teoria quantistica relativistica LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015 Le soluzioni dell’Equazione di Dirac per l’elettrone contenevano (gli stati di spin) un’altra particella, con carica opposta a quella dell’elettrone

12 12 1. Costituenti della materia 2. Cos’è l’Antimateria? 3. Antimateria a Terra 4. Antimateria nello Spazio 5. Antimateria e Big Bang Il modo più semplice: cambiare la carica elettrica LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015 Una banalita’: lo scambio di tutte le cariche delle particelle Problemi: 1)Le strutture complesse? (un atomo, una molecola) 2) Le particelle neutre?

13 13 La prima particella di antimateria scoperta: il positrone (antielettrone) Positroni scoperti nelle interazioni dei raggi cosmici in camere a nebbia (Anderson, 1932). Antiparticella: stessa massa della particella ma carica (e momento magnetico) opposti I costituenti fondamentali hanno tutti un’antiparticella ! L’esistenza delle antiparticelle: una proprietà generale (ma non universale!) delle particelle elementari LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015

14 14 La scoperta dell’antiprotone : ricerca di una particella di massa pari a quella del protone ma di carica negativa

15 LS Ettore Majorana - 22 Maggio Il primo grande acceleratore, il Bevatron a Berkeley 1.Accelerazione 2.Interazione 3.Rivelazione

16 16LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015 Ad esempio l’antiprotone: Ricetta per costituire antimateria: Scomporre la materia in costituenti (particelle) elementari Prendere l’antiparticella di ogni particella elementare Rimettere il tutto insieme PROTONE: QUARKS ANTIPROTONE: ANTIQUARKS Ad esempio l’anti-neutrone: NEUTRONE: QUARKS ANTINEUTRONE: ANTIQUARKS

17 17 1. Costituenti della materia 2. Cos’è l’Antimateria? 3. Antimateria a Terra 4. Antimateria nello Spazio 5. Antimateria e Big Bang LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015 Abbiamo visto l’antimateria in forma di particelle. Ma… 1)Le antiparticelle sono stabili? 2)Possiamo costruire strutture più grandi di antimateria? L’antimateria è del tutto instabile: Una particella di antimateria ha tutti i numeri quantici OPPOSTI a una di materia ! Appena urta la materia, tutto si trasforma in radiazione

18 18LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015 Ad esempio, un elettrone e un positrone (antielettrone) : Con trasformazione di tutta la massa in energia: L’antimateria esplode al contatto con la materia!! Isolare bene l’antimateria dalle pareti del contenitore di materia

19 19LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015 La costruzione di anti-atomi: Anti-idrogeno (Anti-deuterio) (Anti-elio) La bottiglia di “Angeli e Demoni” è un insieme di trappole per confinare particelle cariche e metterle insieme

20 20 Studiare l’Antimateria sulla Terra? LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015 Produzione anti-idrogeno Confinamenteo anti-H Gravità anti-H Eli antiprotonico Adroterapia con antiprotoni Una macchina dedicata al CERN: 1)Antiproton Decelerator 2)Produzione e studio di anti-H

21 21LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015 Quali sono le proprietà degli anti-atomi? Sono fatti come gli atomi ordinari (a parte le cariche scambiate?) Cadono come gli atomi ordinari nel campo gravitazionale terrestre? Studio delle transizioni atomiche dell’anti-idrogeno e confronto con quelle dell’idrogeno Come cade un antiatomo? Test di leggi fisiche fondamentali con antimateria (CPT e Principio di Equivalenza)

22 22 1. Costituenti della materia 2. Cos’è l’Antimateria? 3. Antimateria a Terra 4. Antimateria nello Spazio 5. Antimateria e Big Bang LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015 Materia e antimateria in forma di particelle elementari. Particelle dallo spazio! Raggio cosmico primario Sciame di particelle secondarie prodotte nell’atmosfera I raggi cosmici primari possono contenere antiparticelle

23 23LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015 Motivazioni per la ricerca di antiparticelle nello spazio Siccome l’Universo appare composto di materia (non di antimateria): 1)L’antimateria può essere prodotta in processi strani 2) Antimateria complessa (anti-elio) può indicare stelle di antimateria !! La presenza dei positroni potrebbe indicare il decadimento di particelle di materia oscura

24 24LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015 AMS: Alpha Magnetic Spectrometer Ricerca antiparticelle nello spazio Lanciato nel Maggio 2011 Residente sulla Stazione Spaziale

25 25 1. Costituenti della materia 2. Cos’è l’Antimateria? 3. Antimateria a Terra 4. Antimateria nello Spazio 5. Antimateria e Big Bang LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015 La creazione di Adamo – Michelangelo Buonarroti (1511). (Musei Vaticani - La Cappella Sistina) Lo schema con cui si descrive la nascita e l’evoluzione dell’Universo è quello del BIG BANG CALDO

26 LS Ettore Majorana - 22 Maggio Il modello del Big Bang: 1)Il red-shift (espansione cosmica) 2)La nucleosintesi primordiale 3)La radiazione cosmica di fondo 4)La Relatività Generale 5)L’Inflazione Osservazioni sperimentali Teoria della Gravitazione Se l’Universo è in espansione, nei primi istanti ci si doveva trovare in una situazione di densità altissima, temperatura altissima, energia/particella altissima

27 27LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015 Una storia termica dell’universo Particelle/Antiparticelle libere

28 28LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015 Una storia termica dell’universo Particelle/Antiparticelle libere Queste reazioni creano e distruggono particelle/antiparti celle in ugual numero Quando l’energia scende non è più possibile creare coppie particella/antiparticella. Invece tali coppie si possono distruggere:

29 29LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015 Una storia termica dell’universo Particelle/Antiparticelle libere Reazioni di questo tipo dovrebbero aver mantenuto uguale il numero di particelle e antiparticelle Al diminuire di T solo la 1 resta possibile e tutte le particelle/antiparticelle si annichilano in energia

30 30LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015 Ma l’Universo non è vuoto. Contiene MATERIA e non ANTIMATERIA ! Un processo fisico ha alterato il rapporto tra materia e antimateria nei primi istanti, creando un poco (pochissimo) di materia in più

31 LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015 Una profonda simmetrai in natura. Lo studio delle proprietà di antiparticelle e particelle può risolvere uno dei misteri più profondi del cosmo. Grazie per la vostra attenzione 31


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