Storia e Gloria dell’Antimateria 1. Costituenti della materia 2. Cos’è l’Antimateria? 3. Antimateria a Terra 4. Antimateria nello Spazio 5. Antimateria e Big Bang Marco G. Giammarchi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Via Celoria 16 – 20133 Milano (Italy) marco.giammarchi@mi.infn.it http://pcgiammarchi.mi.infn.it/giammarchi/ LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015

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

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

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 Leptoni Quark LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015

prendere particelle cariche Come si studiano le particelle elementari? Ad esempio in esperimenti con acceleratori di particelle. Ricetta: prendere particelle cariche accelerarle con sistemi elettrici e magnetici (acceleratori) farle urtare tra loro Tunnel di LHC, CERN (Ginevra) 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 LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015

Trasformazione di energia (dei protoni) in massa di nuove particelle 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 Quark Protone Protone LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015 6 6

I grandi complessi di acceleratori di particelle: il CERN di Ginevra LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015

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

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

Perché l’Antimateria? 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 10

Particelle e antiparticelle: la “nascita” della fisica delle particelle 1928: Equazione di Dirac, sintesi di Relatività Speciale e Meccanica Quantistica. Le soluzioni dell’Equazione di Dirac per l’elettrone contenevano (gli stati di spin) un’altra particella, con carica opposta a quella dell’elettrone 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 LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015

Una banalita’: lo scambio di tutte le cariche delle particelle 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 Una banalita’: lo scambio di tutte le cariche delle particelle Problemi: Le strutture complesse? (un atomo, una molecola) 2) Le particelle neutre? LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015

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 (ma non universale!) delle particelle elementari Antiparticella: stessa massa della particella ma carica (e momento magnetico) opposti I costituenti fondamentali hanno tutti un’antiparticella ! LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015

La scoperta dell’antiprotone : ricerca di una particella di massa pari a quella del protone ma di carica negativa LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015

Il primo grande acceleratore, il Bevatron a Berkeley Accelerazione Interazione Rivelazione LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015

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’antiprotone: NEUTRONE: QUARKS ANTINEUTRONE: ANTIQUARKS Ad esempio l’anti-neutrone: LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015

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 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 LS 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 LS 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 LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015

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

1. Costituenti della materia 2. Cos’è l’Antimateria? 3. Antimateria a Terra 4. Antimateria nello Spazio 5. Antimateria e Big Bang 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 LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015

Motivazioni per la ricerca di antiparticelle nello spazio Siccome l’Universo appare composto di materia (non di antimateria): 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 LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015

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

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) LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015

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 LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015

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

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 LS 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 Una storia termica dell’universo LS 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 LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015

Grazie per la vostra attenzione 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 LS Ettore Majorana - 22 Maggio 2015