Cosmo e Antimateria 1. Costituenti della materia 2. Cos’è l’Antimateria? 3. Antimateria a Terra 4. Antimateria nello Spazio 5. Antimateria e Big Bang Marco Giammarchi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Via Celoria 16 – 20133 Milano (Italy) marco.giammarchi@mi.infn.it http://pcgiammarchi.mi.infn.it/giammarchi/ Planetario di Milano - 7 Marzo 2019

Angeli o Demoni? Planetario di Milano - 7 Marzo 2019

1. Costituenti della materia 2. Cos’è l’Antimateria? 3. Antimateria a Terra 4. Antimateria nello Spazio 5. Antimateria e Big Bang Cosa abbiamo imparato (a scuola) ? Materia composta da costituenti fondamentali: atomi, nuclei PROTONE Sappiamo costruire qualsiasi cosa materiale (sulla Terra o nei Cieli) usando questi ingredienti fondamentali quark quark quark Planetario di Milano - 7 Marzo 2019

Decadono in particelle stabili Costituenti fondamentali della materia: Quark e Leptoni Materia ordinaria Sono elementari al meglio di 10-18 m Hanno spin e carica ben definiti Costituiscono la materia in condizioni ordinarie Massa Costituiscono le particelle instabili Decadono in particelle stabili Planetario di Milano - 7 Marzo 2019

Costituenti fondamentali: Quark Leptoni AntiQuark e AntiLeptoni Cariche opposte Ad esempio il Protone Antiprotone (scoperto nel 1955) Planetario di Milano - 7 Marzo 2019

Atomo (protone,elettrone) e AntiAtomo (antiprotone, positrone) 2. Cos’è l’Antimateria? 1. Costituenti della materia 2. Cos’è l’Antimateria? 3. Antimateria a Terra 4. Antimateria nello Spazio 5. Antimateria e Big Bang Perché abbiamo atomi e non anti-atomi? Perché questa situazione asimmetrica? Stelle / AntiStelle? Persone / AntiPersone? Atomo (protone,elettrone) e AntiAtomo (antiprotone, positrone) Planetario di Milano - 7 Marzo 2019

Particella/Antiparticella hanno cariche opposte: si possono annullare (annichilire a vicenda) traformando tutta la massa in energia Planetario di Milano - 7 Marzo 2019

1928: Equazione di Dirac, Relatività Speciale e Meccanica Quantistica. Particelle e antiparticelle: la “nascita” della fisica delle particelle 1928: Equazione di Dirac, Relatività Speciale e Meccanica Quantistica. 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 Elettrone, s=+1/2 Elettrone, s=-1/2 Il positrone, particella identica all’elettrone e- ma avente carica positiva: e+. La prima previsione della teoria quantistica relativistica Positrone, s=1/2 Positrone, s=-1/2 Planetario di Milano - 7 Marzo 2019

I costituenti fondamentali hanno tutti un’antiparticella ! La prima particella di antimateria scoperta: il positrone (antielettrone) Positroni scoperti nelle interazioni dei raggi cosmici in camere a nebbia (Anderson, 1932). L’esistenza delle antiparticelle: una proprietà generale delle particelle elementari Antiparticella: stessa massa della particella ma carica (e momento magnetico) opposti I costituenti fondamentali hanno tutti un’antiparticella ! Planetario di Milano - 7 Marzo 2019

3. Antimateria a Terra 1. Costituenti della materia 2. Cos’è l’Antimateria? 3. Antimateria a Terra 4. Antimateria nello Spazio 5. Antimateria e Big Bang Abbiamo visto l’antimateria in forma di particelle. Ma… Le antiparticelle sono stabili? Possiamo costruire strutture più grandi di antimateria? L’antimateria da sola è stabile quanto la materia. Ma noi viviamo in un mondo di materia. Una particella di antimateria ha tutti i numeri quantici OPPOSTI a una di materia ! Appena urta la materia, tutto si trasforma in radiazione Planetario di Milano - 7 Marzo 2019

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 Planetario di Milano - 7 Marzo 2019

Studiare l’Antimateria sulla Terra? Una macchina dedicata al CERN: Antiproton Decelerator Produzione e studio di anti-H Produzione anti-idrogeno Confinamenteo anti-H Gravità anti-H Elio antiprotonico Adroterapia con antiprotoni Esperimento ALPHA: Inizio spettroscopia anti-H 1000 atomi di anti-H prodotti e confinati / 8 ore Planetario di Milano - 7 Marzo 2019

Evidenze indirette: schiaccianti E le proprietà quantistiche dell’antimateria? Come quelle della materia? Evidenze indirette: schiaccianti L’evidenza più diretta: interferenza di elettroni singoli P. G. Merli, G. F. Missiroli, G. Pozzi, On the statistical aspect of electron interference phenomena. Am J Phys. 44, 306–307 (1976). A. Tonomura, Demonstration of single electron buildup of an interference pattern. Am.J.Phys. 57, 117–120 (1989). "The most beautiful experiment". Physics World 2002. Mai fatto con anti-particelle fino al 2018 Planetario di Milano - 7 Marzo 2019

Prima osservazione di interferometria quantistica di antimateria Il primo pattern di interferenza quantistica di antiparticelle Positroni con energia cinetica di 14 keV Laboratorio VEPAS a Como Fascio di positroni Sorgente radioattiva Na-22 Emulsioni nucleari (Berna) Prima osservazione di interferometria quantistica di antimateria arxiv.org/abs/1808.08901 Planetario di Milano - 7 Marzo 2019

4. Antimateria nello Spazio 1. Costituenti della materia 2. Cos’è l’Antimateria? 3. Antimateria a Terra 4. Antimateria nello Spazio 5. Antimateria e Big Bang Raggi Cosmici: particelle provenienti dallo spazio 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 ? Quante? Planetario di Milano - 7 Marzo 2019

Raggi cosmici colpiscono l’atmosfera Rivelatori a Terra Pierre Auger Observatory Pampa Amarilla - Argentina Raggi cosmici colpiscono l’atmosfera Produzione di tante altre particelle Rivelazione a Terra Planetario di Milano - 7 Marzo 2019

Rivelatori nello spazio AMS: Alpha Magnetic Spectrometer Ricerca antiparticelle nello spazio Lanciato nel Maggio 2011 Residente sulla Stazione Spaziale Planetario di Milano - 7 Marzo 2019

4. Antimateria e Big Bang BIG BANG CALDO 1. Costituenti della materia 2. Cos’è l’Antimateria? 3. Antimateria a Terra 4. Antimateria nello Spazio 5. Antimateria e Big Bang Lo schema con cui si descrive la nascita e l’evoluzione dell’Universo è quello del BIG BANG CALDO La creazione di Adamo Michelangelo Buonarroti (1511). (Musei Vaticani - La Cappella Sistina) Planetario di Milano - 7 Marzo 2019

Il modello del Big Bang: Il red-shift (espansione cosmica) La nucleosintesi primordiale La radiazione cosmica di fondo La Relatività Generale 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 Planetario di Milano - 7 Marzo 2019

Una storia termica dell’universo Particelle/Antiparticelle libere Una storia termica dell’universo Planetario di Milano - 7 Marzo 2019

Una storia termica dell’universo Particelle/Antiparticelle libere Queste reazioni creano e distruggono particelle/antiparticelle in ugual numero Quando l’energia scende non è più possibile creare coppie particella/antiparticella. Invece tali coppie si possono distruggere: Una storia termica dell’universo Planetario di Milano - 7 Marzo 2019

Ma questi tempi primordiali sono «lunghi» o «corti» ? Frazioni di secondo Particelle relativistiche senza massa Reazione che tiene A in equilibrio con altre specie presenti In equilibrio durante l’espansione Fuori equilibrio durante l’espanzione Planetario di Milano - 7 Marzo 2019

L’Universo (delle particelle) non dovrebbe esistere! 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 L’Universo (delle particelle) non dovrebbe esistere! Planetario di Milano - 7 Marzo 2019

L’universo nella sua storia produce le particelle Ad esempio, produce protoni, antiprotoni, elettroni, positroni Atomi di Idrogeno, AntiAtomi di Idrogeno Secondo il «buon senso» ci saremmo aspettati un numero di particelle uguale a quello delle antiparticelle Ma la fisica non è il buon senso Planetario di Milano - 7 Marzo 2019

Per qualche ragione 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 Planetario di Milano - 7 Marzo 2019

? Probabile colpevole: Violazione di CP Il mistero della asimmetria materi-antimateria è correlato con le proprietà quantistiche delle particelle. Tale mistero persiste perché la asimmetria materia-antimateria misurata nei laboratori appare insufficiente. ? Planetario di Milano - 7 Marzo 2019

Grazie per l’attenzione Mistero Cosmologico e Quantistico Lo studio delle proprietà del cosmo (delle particelle) acquista la sua piena prospettiva se illustrato alla luce delle proprietà delle particelle (del cosmo). Grazie per l’attenzione Microcosmo Macrocosmo Planetario di Milano - 7 Marzo 2019