ContENIMENTO Di antimaterIA Trappola per l’antimateria da “Angeli e Demoni”

Star Trek © Paramount Pictures Da Star Trek (Serie Originale) Stagione 3, episodio “Quello che sopravvive” (1969) “…e non sono neanche sicuro che si possa sopravvivere nel flusso di energia del campo magnetico che imbottiglia l’antimateria!...” Star Trek © Paramount Pictures

Possiamo veramente “imbottigliare” l’antimateria? L’antimateria E’ STATA contenuta con successo, ma solo in quantità piccolissime e per un tempo relativamente breve.

Come avete visto in uno degli esempi della lezione “Ragazzi con giocattoli”, l’Enterprise avrebbe dovuto contenere 15 mila tonnellate di antimateria (giusto per spingersi a metà della velocità della luce).

Come avete scoperto nella lezione “Operazione: Annichilimento Come avete scoperto nella lezione “Operazione: Annichilimento!”, il contenitore portatile di antimateria nel film Angeli e Demoni racchiudeva una quantità apparentemente “ragionevole” (0.12 grammi) di antimateria. Ma anche questa piccola quantità avrebbe richiesto il contenimento di circa 7.2×1022 atomi di anti-idrogeno.

Se vengono usati campi magnetici per contenere l’antimateria, le particelle devono essere caricate elettricamente. Un atomo di anti-idrogeno (composto di un antiprotone e un positrone) è elettricamente neutro.

Comunque, particelle cariche di antimateria come positroni e antiprotoni possono essere confinate in un apparato detto “Trappola di Confinamento”. Daremo un’occhiata al modo in cui una versione semplificata di questo contenitore cilindrico possa intrappolare l’antimateria…

S Avete imparato* che cariche negative (come un antiprotone) sono deflesse come in figura quando si muovono in un campo magnetico diretto verso l’alto (cioè dal polo Nord al polo Sud del magnete ) Direzione del campo magnetico N *Guarda “Lo caricherai?” nei Materiali di Background

Direzione del campo magnetico S Il percorso dell’antiprotone all’interno del campo magnetico è circolare (in giallo), e, modificando l’intensità e l’estensione del campo, possiamo fare in modo che l’antiprotone continui a muoversi in circolo… Direzione del campo magnetico N

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico N

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico N

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico N

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico N

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Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico N

N S N S Direzione del campo magnetico Nella prossima sequenza, abbiamo cambiato il punto di vista così che la direzione del campo è ora verso destra (e l’antiprotone punta lievemente inclinato dentro la pagina). Come esercizio, renditi conto che il moto della particella è in accordo con la sequenza precedente. N S Direzione del campo magnetico

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

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Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

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Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

In aggiunta a questo moto circolare, la particella si muoverà nello stesso tempo nella direzione che aveva quando è entrata nel campo magnetico. Così, se l’antiprotone era inizialmente entrato da sinistra, il moto apparirebbe così…

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

Possiamo dire che l’antiprotone si muove a spirale Possiamo dire che l’antiprotone si muove a spirale. Questo impedisce che esso venga in contatto con le pareti della trappola.

Ma il campo magnetico da solo non è sufficiente a contenere l’antiprotone, poichè se esso continua su questo percorso, si annichilisce non appena raggiunge la fine della trappola!

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

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Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

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Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

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Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

Direzione del campo magnetico Poof! N S Direzione del campo magnetico

Direzione del campo magnetico S Direzione del campo magnetico

Quindi abbiamo bisogno di un modo di confinare la particella anche nel senso della lunghezza della trappola. Per ottenere ciò, usiamo un’altra proprietà delle particelle cariche…la repulsione dalle cariche dello stesso segno.

Per spiegare come ciò funziona, possiamo usare una semplice analogia con la gravità…

Se prendiamo una piccola sfera di metallo…

…e la facciamo rotolare in una cavità liscia…

…ci aspettiamo che il suo moto sia pressapoco così…

…ci aspettiamo che il suo moto sia pressapoco così…

…ci aspettiamo che il suo moto sia pressapoco così…

…ci aspettiamo che il suo moto sia pressapoco così…

…ci aspettiamo che il suo moto sia pressapoco così…

…ci aspettiamo che il suo moto sia pressapoco così…

…ci aspettiamo che il suo moto sia pressapoco così…

…ci aspettiamo che il suo moto sia pressapoco così…

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…ci aspettiamo che il suo moto sia pressapoco così…

…ci aspettiamo che il suo moto sia pressapoco così…

…ci aspettiamo che il suo moto sia pressapoco così…

..finchè si ferma sul fondo.

Ciò accade perchè la palla perde continuamente energia mentre si muove nella cavità.

Comunque, se le dessimo una spintarella extra (cioè più energia) ogni volta che passa, per esempio, sul fondo della cavità, potremmo tenerla in movimento…

Comunque, se le dessimo una spintarella extra (cioè più energia) ogni volta che passa, per esempio, sul fondo della cavità, potremmo tenerla in movimento…

Comunque, se le dessimo una spintarella extra (cioè più energia) ogni volta che passa, per esempio, sul fondo della cavità, potremmo tenerla in movimento…

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Comunque, se le dessimo una spintarella extra (cioè più energia) ogni volta che passa, per esempio, sul fondo della cavità, potremmo tenerla in movimento…

Bene, era solo un’analogia. Ovviamente non stiamo parlando di una sferetta che si muove sotto l’influenza della gravità (o di un campo gravitazionale), ma di una particella carica che vogliamo controllare usando un campo elettrico.

0 V -10 V Per una particella negativa come l’antiprotone, possiamo ottenere qualcosa di simile all’analogia gravitazionale usando un generatore connesso in modo tale da dare a ciascuna estremità della trappola un voltaggio negativo rispetto alla terra (0 volt) nel centro. Il generatore serve a mantenere il voltaggio negativo rispetto alla terra.

In questo modo l’antiprotone sarà confinato nel verso della lunghezza della trappola, costretto a oscillare avanti e indietro in una “buca” di potenziale. -10 V 0 V -10 V

In questo modo l’antiprotone sarà confinato nel verso della lunghezza della trappola, costretto a oscillare avanti e indietro in una “buca” di potenziale. -10 V 0 V -10 V -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V -10 V -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Da questo punto di vista, l’antiprotone si muove entro la “cavità” piuttosto come uno skateboard che percorre mezzo tubo… -10 V 0 V

Gli effetti combinati dei campi magnetico ed elettrico impediscono che l’antiprotone venga in contatto con TUTTI i lati del cilindro. L’antiprotone è ora INTRAPPOLATO…

Direzione del campo magnetico - N Direzione del campo magnetico S

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Anche i positroni possono essere intrappolati in questo modo. Come esercizio, pensa come dovresti organizzare una trappola simile per contenere positroni. Quali cambiamenti sarebbero necessari rispetto alla trappola per antiprotoni?

Ahimé, l’antiatomo è perso. Quando un antiprotone si combina con un positrone, l’atomo neutro di anti-idrogeno non è più confinato dai campi della trappola. Ahimé, l’antiatomo è perso. Se vuoi saperne di più sugli esperimenti fatti al CERN per cercare di risolvere il problema del contenimento dell’anti-idrogeno, dai un’occhiata ai seguenti siti: http://cerncourier.com/cws/article/cern/30577 http://public.web.cern.ch/public/en/Research/ALPHA-en.html http://public.web.cern.ch/public/en/Research/ATRAP-en.html