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/ Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

Antimateria: protagonista di rilievo della letteratura e del cinema di fantascienza Angeli o Demoni? Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

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 Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

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 Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

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 Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

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 Open Day Unimi - 12 Maggio 2012 6 6

I grandi complessi di acceleratori di particelle: il CERN di Ginevra Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

I grandi rivelatori di particelle: Atlas al CERN di Ginevra Sistemi complessi composti da molti rivelatori specializzati CDF al Fermilab (Chicago) Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

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 Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

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 Open Day Unimi - 12 Maggio 2012 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 Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

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? Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

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 ! Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

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: Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

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 Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

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 Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

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 Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

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 Eli antiprotonico Adroterapia con antiprotoni Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

Esperimento AEGIS al CERN per la misura della gravità dell’antimateria ……e questi siamo noi Esperimento AEGIS al CERN per la misura della gravità dell’antimateria Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

AEGIS Collaboration 3/27/2017 POSMOL 2011 CERN, Geneva, Switzerland M. Doser, D. Perini, T. Niinikoski, A. Dudarev, T. W. Eisel, R. Van Weelderen, F. Haug, L.. Dufay-Chanat, J. L.. Servai LAPP, Annecy, France. P. Nédélec, D. Sillou Institute for Nuclear Problems of the Belarus StateUniversity, Belarus G. Drobychev INFN Firenze, Italy G. Ferrari, M. Prevedelli, G. M. Tino INFN Genova, University of Genova, Italy C. Carraro, V. Lagomarsino, G. Manuzio, G. Testera, S. Zavatarelli INFN Milano, University of Milano, Italy F. Castelli, S. Cialdi, M. G. Giammarchi, D. Trezzi,, F. Villa INFN Padova/Trento, Univ. Padova, Univ. Trento, Italy R. S. Brusa, S. Mariazzi, S. Moretto, G. Nebbia, S. Pesente, G. Viesti INFN Pavia – Italy University of Brescia, University of PaviaG. Bonomi, A. Fontana, A. Rotondi, A. Zenoni MPI- K, Heidelberg, Germany C. Canali, R. Heyne, A. Kellerbauer, C. Morhard, U. Warring Kirchhoff Institute of Physics U of Heidelberg, Germany M. K. Oberthaler INFN Milano, Politecnico di Milano, Italy G. Consolati, A. Dupasquier, R. Ferragut, F. Quasso INR, Moscow, Russia A. S. Belov, S. N. Gninenko, V. A. Matveev, A. V. Turbabin ITHEP, Moscow, RussiaV. M. Byakov, S. V. Stepanov, D. S. Zvezhinskij New York University, USA H. H. Stroke Laboratoire Aimé Cotton, Orsay, FranceL. Cabaret, D. Comparat University of Oslo, Norway O. Rohne, S. Stapnes CEA Saclay, France M. Chappellier, M. de Combarieu, P. Forget, P. Pari INRNE, Sofia, Bulgaria N. Djourelov Czech Technical University, Prague, Czech Republic V. Petráček, D. Krasnický ETH Zurich, Switzerland S. D. Hogan, F. Merkt 3/27/2017 POSMOL 2011

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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) Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

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 Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

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 Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

AMS: Alpha Magnetic Spectrometer Ricerca antiparticelle nello spazio Lanciato nel Maggio 2011 Residente sulla Stazione Spaziale Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

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) Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

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 Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

Una storia termica dell’universo Particelle/Antiparticelle libere Una storia termica dell’universo Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

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 Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

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 Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

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 Open Day Unimi - 12 Maggio 2012

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 Open Day Unimi - 12 Maggio 2012