MATERIA ANTIMATERIA e Marco Napolitano Dipartimento di Scienze Fisiche Università “Federico II” - Napoli e Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Sezione di Napoli

Due rivoluzioni del pensiero scientifico nella prima parte del ‘900 Teoria della relatività 1905 – Albert Einstein: Elettrodinamica dei Corpi in Movimento Atto di nascita della relatività speciale e del concetto di equivalenza massa-energia (E=mc2) Meccanica quantistica 1923 – Louis de Broglie: ipotesi ondulatoria dell’elettrone La via è aperta; poi Schroedinger, Heisenberg…. Evoluzione naturale: “matrimonio” tra relatività e meccanica quantistica 1928 – P. A. M. Dirac: teoria relativistica dell’elettrone  previsione dell’antielettrone (positrone)

Meccanica classica  meccanica quantistica non relativistica Particella libera + - ovvero

Meccanica relativistica  meccanica quantistica relativistica Particella libera -mc2 + - +mc2 p E E<0 E>0 Cosa fare con E<0 ? aspetti sconcertanti!

Come interpretare gli stati ad energia negativa? Classicamente non c’è problema Basta ipotizzare che in un certo istante tutte le particelle dell’Universo si siano trovate in stati di energia positiva! Possiamo, allora, semplicemente ignorare gli stati con energia negativa In meccanica quantistica la situazione è più complicata l’emissione di un quanto di sufficiente energia (E>2mc2) può portare una particella da uno stato con E>0 ad uno stato con E<0!! Tutte le particelle transirebbero verso stati ad energia negativa sempre più bassi!!!!

Dirac ricorse al principio di esclusione di Pauli (1925) +mc2 -mc2 ... Vuoto: tutti gli stati con E<0 sono occupati da un elettrone Situazione assolutamente stabile. Nulla può accadere!…

…e se uno stato con E<0 fosse vuoto? Sottraiamo energia: un elettrone scende e la lacuna sale la lacuna rallenta Cediamo energia: un elettrone sale e la lacuna scende la lacuna accelera Mettiamo un campo elettrico E La lacuna si muove nel verso di E come se avesse carica positiva La lacuna è una sorta di immagine in negativo dell’elettrone: è un antielettrone (o positrone) E<0 E>0 +mc2 -mc2 ...

Esiste veramente il positrone? Possiamo osservarlo? SI!… Osservato per la prima volta da Anderson e Neddermayer nel 1932. ……..possiamo crearlo! ….Come? Non così ! ma… trasferendo al “vuoto” abbastanza energia da permettere ad un elettrone di transire da uno stato con E<0 ad uno con E>0 Osserveremo, però, contemporaneamente un elettrone e un positrone Creare materia è possibile solo a coppie particella-antiparticella!! E<0 E>0 +mc2 -mc2 ... g e+ e- ...

Cosa può accadere se sono contemporaneamente presenti un elettrone e un positrone? +mc2 -mc2 ... L’elettrone può andare ad occupare lo stato con E<0 libero emettendo energia Scompaiono un elettrone e un positrone (annichilazione particella-antiparticella) Ecco perché non si osservano positroni nella materia intorno a noi! g e+ e-

Si, va bene,…il positrone….ma l’antimateria? Per la teoria di Dirac anche il protone e il neutrone debbono avere le rispettive antiparticelle 1955 – Chamberlain, Segré, Wiegand e Ypsilantis “producono” e rivelano l’antiprotone ( ). 1956 – Cork, Lamberston, Piccioni e Wenzel “producono” e rivelano l’antineutrone ( ). Con e abbiamo gli ingredienti per possibili antinuclei e, con l’aggiunta di e+, per possibili antiatomi 1965 – Al CERN viene prodotto antideutone 1995 – Al CERN viene prodotto antiidrogeno Ecco l’antimateria! p _ n _ p _ n _

La teoria di Dirac è perfettamente simmetrica se: Particella e antiparticella sono esattamente l’una l’immagine “in negativo” dell’altra? La teoria di Dirac è perfettamente simmetrica se: scambiamo particella con antiparticella e, al tempo stesso, cambiamo segno ai campi elettrici e magnetici “specchio C” (coniugazione di carica) Per tale teoria materia e antimateria sono simmetriche. Esiste tra loro una simmetria analoga alla simmetria destra-sinistra ovvero quella tra un oggetto e la sua immagine speculare “specchio P” (parità)

La simm. materia-antimateria è solo una proprietà della teoria di Dirac o è una legge della natura? Sapremmo fornire ad un extraterrestre di una lontana galassia (“via una ipotetica radio”) una prescrizione che gli permetta di comunicarci: a) se nel suo mondo chiamano “destra” e “sinistra” quello che noi chiamiamo così e non viceversa; b) se gli atomi di materia del suo mondo sono fatti di p, n ed e- come i nostri o piuttosto di anti-p, anti-n e e+. Considerando solo fenomeni gravitazionali ed e. m. la risposta è NO; nell’ambito di tali fenomeni le simmetrie C e P sono esatte.

C e P non sono, però, sempre esatte! Sia C che P sono violate in particolari processi fisici (processi deboli) dei quali un tipico esempio è np+e-+ (decadimento beta) Tuttavia ciò non rimuove la simmetria materia antimateria a meno che risulti non esatta la simmetria tra un processo fisico e la sua immagine ottenuta per riflessione attraverso lo specchio C, prima, e lo specchio P, dopo, o viceversa (simmetria CP) CP violata seppur di pochissimo in processi deboli (Cronin et al. 1964) Per es. quando il mesone KL si disintegra la probabiltà di emettere un e+ è leggermente maggiore di quella di emettere un e- Abbiamo un modo assoluto per distinguere elettroni da antielettroni e, quindi, materia da antimateria!! Ora possiamo distinguere anche la destra dalla sinistra! n _

L’universo è fatto solo di materia? Sembra di si! Come mai solo materia? a) Già all’inizio la quantità di materia era (leggermente) superiore a quella di antimateria L’antimateria è scomparsa per annichilazione con una quantità equivalente di antimateria. b) L’universo è partito simmetrico: tanta l’antimateria quanto la materia Il sopravvento della materia sull’antimateria è dovuto alla piccola violazione di CP Non basta, è anche necessario che il “numero barionico” non sia esattamente conservato Implica instabilità della materia; il protone potrebbe disintegrarsi in particelle più leggere (… molto molto raramente – t >1032 anni)

L’antimateria è solo “roba” per i fisici? … certo l’antimateria e i processi che la coinvolgono costituiscono uno dei principali strumenti per studiare le leggi della natura …. però, ha affascinato e continua ad affascinare tantissimi “non fisici” L’immaginazione di scrittori (Williamson, Asimov, Van Vogt, Shaw, Brown,…..) ha prodotto visioni di antimondi, antistelle e antiuniversi, sorgenti di energia potentissime basate su annichilazione materia-antimateria, navi spaziali più veloci della luce spinte da tale energia, …..

Allora, è “roba” per fisici e scrittori e lettori di fantascienza? Direi, proprio, NO! Intanto produce “conoscenza” Bene Primario Stimola lo sviluppo di tecnologie Ma non solo C’è una concreta applicazione: La PET, basata su emissione e annichilazione di antielettroni C’è chi pensa seriamente (non solo a fini fantascientifici) all’uso degli anti-p (e dell’anti-H) in campi applicativi

Quali applicazioni? ...vedremo!..? (G. Jackson, Hbar Technologies LLC, West Chicago IL, USA) ...vedremo!..?

a) Isotopi per la PET Usi PET: diagnosi tumori cerebrali, masse polmonari, cancro del pancreas, malattie delle coronarie, metabolismo cerebrale del glucosio, flusso sanguigno locale…. PET si basa sul fatto che isotopi quali 11C (td 10 min), 15O (2 min), 18F (120 min) con emissione di positroni L’uso di isotopi a breve vita porterebbe molti vantaggi; c’è però un problema di produzione Usando anti-p da una trappola questo problema potrebbe essere semplificato (COMMERCIAL PRODUCTION AND USE OF ANTIPROTONS G. Jackson, Hbar Technologies LLC, 1275 Roosevelt Road, Suite 103, West Chicago IL, USA)

b) radioterapia “…un antiprotone che entri nel corpo umano con una energia di 250 MeV o meno ha soltanto il 5% di probabilità di annichilazione prima che si arresti nei tessuti… I prodotti dell’annichilazione sono stati ben caratterizzati e consistono in media di tre pioni carichi e due neutri…… Il punto chiave della terapia con antiprotoni è il rinculo di questo ione pesante. Lo ione è prodotto con diversi MeV di energia cinetica…. Quando l’antiprotone annichila con un neutrone di un nucleo di carbonio, azoto o ossigeno, viene prodotto un isotopo PET. Si supponga, allora, di trattare un paziente in un moderno apparato per diagnostica PET….” (COMMERCIAL PRODUCTION AND USE OF ANTIPROTONS G. Jackson, Hbar Technologies LLC, 1275 Roosevelt Road, Suite 103, West Chicago IL, USA)

Propulsione spaziale Antimatter-Initiated Microfusion (AIM) - requires 28.5 mg of antiprotons. “..The AIM process begins with the injection of 1011 antiprotons into a Penning reaction trap that is roughly 0.5 cm in diameter. The double-nested potential well of depth 10 kV in the reaction region splits the beam of antiprotons into two clouds of approximately equal density. Fusion fuel droplets such as D3He or DT enter the reaction region juxtaposing the two clouds. These 42 ng droplets are coated with a thin layer of U238, so that collapsing the two antiproton clouds upon the fuel target will annihilate 5x109 antiprotons through a microfission process. The fission fragments heat the fuel core, fully ionizing the target components at a temperature of ~10 eV. After increasing the well to 600 kV, it produces an ion temperature of 100 keV and density 6x1017 ions/cm3. This satisfies the Lawson criterion for a full fusion burn….” K. J. Meyer., D. P. Coughlin.., K. J. Kramer..., and G. A. Smith Propulsion Engineering Research Center Penn State University