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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. Cosè lAntimateria? 3. Antimateria a Terra 4. Antimateria nello Spazio 5. Antimateria e Big Bang Spazio e Antimateria 1Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011

2 2 Angeli o Demoni? Per favore prendetemi sul serio ! Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011

3 3 1. Costituenti della materia 2. Cosè lAntimateria? 3. Antimateria a Terra 4. Antimateria nello Spazio 5. Antimateria e Big Bang Cosa abbiamo imparato (a scuola) ? Materia composta da costituenti fondamentali: molecole, atomi, nuclei Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 Ossigeno Idrogeno quark PROTONE

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 4Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 MassaMassa Materia ordinaria Decadono in particelle stabili

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

6 6Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 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 PROTONE

7 Esperimenti su particelle ai grandi acceleratori: CMS al CERN di Ginevra CDF al Fermilab (Chicago) Sistemi complessi composti da rivelatori specializzati

8 8 Un mondo di particelle fondamentali e forze tra particelle fondamentali

9 In fisica quantistica Scambio di quanti Il concetto di forza In fisica classica: Azione istantanea a distanza Campo (Faraday, Maxwell)

10 10 1. Costituenti della materia 2. Cosè lAntimateria? 3. Antimateria a Terra 4. Antimateria nello Spazio 5. Antimateria e Big Bang Una prima risposta: cambiare la carica elettrica di tutti? Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 Una banalita: lo scambio di tutte le cariche delle particelle Problemi: 1)Le strutture complesse? (un atomo, una molecola) 2) Le particelle neutre?

11 11Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 Facciamo un passo indietro e ricordiamoci che tutto è costituito da particelle (considerate) elementari Velocita basse v << c Velocita alte v simile a c Sistema macroscopico Pienamente Classico Relativistico (non quantistico) Sistema atomico Quantistico (non relativistico) Quantistico Relativistico ?

12 12 Particelle e antiparticelle: la nascita della fisica delle particelle 1928: Equazione di Dirac, sintesi di Relatività Speciale e Meccanica Quantistica. Una Equazione relativisticamente invariante per particelle a spin ½. Le soluzioni nel sistema a riposo sono 4 stati: E>0, s=+1/2 E>0, s=-1/2 E<0, s= +1/2 E<0, s= -1/2 Reinterpretando gli stati a energia negativa come antiparticelle dellelettrone: Elettrone, s=+1/2 Elettrone, s=-1/2 Positrone, s=1/2 Positrone, s=-1/2 Il positrone, particella identica allelettrone e - ma avente carica positiva: e +. La prima previsione della teoria quantistica relativistica

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 unantiparticella ! Lesistenza delle antiparticelle: una proprietà generale (ma non universale!) delle particelle elementari Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011

14 14Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 Ad esempio lantiprotone: Ricetta per costituire antimateria: Scomporre la materia in costituenti (particelle) elementari Prendere lantiparticella di ogni particella elementare Rimettere il tutto insieme PROTONE: QUARKS ANTIPROTONE: ANTIQUARKS Ad esempio lanti-neutrone: NEUTRONE: QUARKS ANTINEUTRONE: ANTIQUARKS

15 15 1. Costituenti della materia 2. Cosè lAntimateria? 3. Antimateria a Terra 4. Antimateria nello Spazio 5. Antimateria e Big Bang Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 Abbiamo visto lantimateria in forma di particelle. Ma… 1)Le antiparticelle sono stabili? 2)Possiamo costruire strutture più grandi di antimateria? Lantimateria 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

16 16Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 Ad esempio, un elettrone e un positrone (antielettrone) : Con trasformazione di tutta la massa in energia: Lantimateria esplode al contatto con la materia!! Isolare bene lantimateria dalle pareti del contenitore di materia

17 17Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 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

18 18 Studiare lAntimateria sulla Terra? Una macchina dedicata al CERN: 1)Antiproton Decelerator 2)Produzione e studio di anti-H Produzione anti-idrogeno Confinamenteo anti-H Gravità anti-H Eli antiprotonico Adroterapia con antiprotoni Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011

19 19Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 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 dellanti-idrogeno e confronto con quelle dellidrogeno Come cade un antiatomo? Test di leggi fisiche fondamentali con antimateria (CPT e Principio di Equivalenza)

20 20 1. Costituenti della materia 2. Cosè lAntimateria? 3. Antimateria a Terra 4. Antimateria nello Spazio 5. Antimateria e Big Bang Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 Materia e antimateria in forma di particelle elementari. Particelle dallo spazio! Raggio cosmico primario Sciame di particelle secondarie prodotte nellatmosfera I raggi cosmici primari possono contenere antiparticelle ?

21 21Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 Esempio: una pulsar come acceleratore di particelle ! Nello spazio intervengono numerosi processi di accelerazione di particelle

22 22Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 Motivazioni per la ricerca di antiparticelle nello spazio Siccome lUniverso appare composto di materia (non di antimateria): 1)Lantimateria 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

23 23Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 AMS: Alpha Magnetic Spectrometer Ricerca antiparticelle nello spazio Lanciato nel Maggio 2011 Residente sulla Stazione Spaziale

24 24 1. Costituenti della materia 2. Cosè lAntimateria? 3. Antimateria a Terra 4. Antimateria nello Spazio 5. Antimateria e Big Bang Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 La creazione di Adamo – Michelangelo Buonarroti (1511). (Musei Vaticani - La Cappella Sistina) Lo schema con cui si descrive la nascita e levoluzione dellUniverso è quello del BIG BANG CALDO

25 Planetario di Milano - 27 Ottobre 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)LInflazione Osservazioni sperimentali Teoria della Gravitazione Se lUniverso è in espansione, nei primi istanti ci si doveva trovare in una situazione di densità altissima, temperatura altissima, energia/particella altissima

26 26Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 Una storia termica delluniverso Particelle/Antiparticelle libere

27 27Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 Una storia termica delluniverso Particelle/Antiparticelle libere Queste reazioni creano e distruggono particelle/antiparti celle in ugual numero Quando lenergia scende non è più possibile creare coppie particella/antiparticella. Invece tali coppie si possono distruggere:

28 28Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 Una storia termica delluniverso 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

29 29Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 Ma lUniverso 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

30 Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 Lo studio delle proprietà di antiparticelle e particelle può risolvere uno dei misteri più profondi del cosmo. Grazie per la vostra attenzione


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