agosto 1932: Scoperta del Positrone
L’immagine della camera a nubi di Anderson sulla radiazione cosmica del 1932 che mostra per la prima volta l’esistenza dell’anti-elettrone. La particella entra dal basso, colpisce la piastra di piombo al centro e perde energia come si può vedere dalla maggiore curvatura della parte superiore della traccia.
Il creatore di Star Trek Gene Roddenberry ha incorporato molta scienza reale in quello che è diventato uno dei franchise di serie di maggior successo di tutti i tempi. Uno di questi è il motore materia/antimateria che alimenta l’Enterprise, permettendole di viaggiare presumibilmente a velocità superiori a quella della luce.
Nel 1928, il fisico britannico Paul Dirac dimostrò che la relatività di Einstein implicava che ogni particella nell’universo ha una corrispondente antiparticella, ciascuna con la stessa massa della sua gemella, ma con la carica elettrica opposta.
La caccia era aperta per trovare la verifica sperimentale di questa ipotesi; un postdoc del Caltech di nome Carl D. Anderson avrebbe vinto la gara.
Anderson è nato nel 1905 da genitori svizzeri a New York City. Quando aveva 7 anni, la famiglia si trasferì a Los Angeles, e i suoi genitori divorziarono poco dopo. Anderson ha aiutato a mantenere la famiglia in età molto giovane, ma è riuscito comunque a ottenere un’istruzione universitaria al Caltech. Originariamente intendeva studiare ingegneria elettrica, ma passò alla fisica dopo aver seguito un corso particolarmente stimolante in materia. Alla fine ha conseguito un dottorato in ingegneria fisica (ora conosciuta come fisica applicata) al Caltech.
Anderson ha trascorso la maggior parte della sua carriera al Caltech. Le sue prime ricerche erano sui raggi X, ma poi Victor Hess scoprì i raggi cosmici nel 1930. Su consiglio del suo mentore, Robert A. Millikan, Anderson rivolse la sua attenzione allo studio di queste particelle ad alta energia. La maggior parte degli scienziati lo faceva usando le camere a nube: un cilindro corto con piastre terminali di vetro contenenti un gas saturo di vapore acqueo. Se una particella ionizzante passa attraverso la camera, lascia una scia di goccioline d’acqua, che possono essere fotografate. Misurando la densità delle goccioline, gli scienziati possono dedurre quanta ionizzazione viene prodotta, indicando il tipo di particella che è passata.
Anderson ha costruito la sua versione migliorata di una camera a nubi, incorporando un pistone in modo da poter far scendere la pressione molto rapidamente. Usò anche una miscela di acqua e alcool nella camera. E ottenne fotografie molto migliori dei suoi colleghi. Ha circondato la sua camera con un grande elettromagnete, che ha causato i percorsi delle particelle ionizzanti per piegare in percorsi circolari. Misurando la curvatura di queste tracce, poteva calcolare la quantità di moto delle particelle e determinare il segno della carica.
Le fotografie risultanti sorpresero Anderson rivelando che i raggi cosmici producevano docce di particelle caricate sia positivamente che negativamente, e le cariche positive non potevano essere protoni, come ci si potrebbe aspettare, perché il raggio della traccia avrebbe specificato una distanza di arresto del protone molto più breve della lunghezza della traccia.
Anderson e Millikan ipotizzarono che forse le particelle caricate positivamente erano elettroni che viaggiavano nella direzione opposta.
Per verificare l’ipotesi, Anderson mise una piastra di piombo nella camera. Quando le particelle passavano attraverso la lastra, emergevano dall’altro lato con un’energia inferiore a quella di partenza, così si poteva dedurre la direzione del viaggio.
Nell’agosto del 1932, Anderson registrò la storica fotografia di un elettrone carico positivamente (ora noto come positrone) che passava attraverso la lastra di piombo nella camera a nubi. Nonostante lo scetticismo iniziale della comunità scientifica, il risultato di Anderson fu confermato l’anno seguente, e gli scienziati conclusero che il positrone era una coppia di elettroni positivi e negativi prodotti quando un raggio gamma si converte in materia.
La sua scoperta valse ad Anderson il premio Nobel per la fisica nel 1936, all’età di 31 anni, la persona più giovane ad essere premiata. Gli antiprotoni -protoni con una carica negativa invece della solita carica positiva- furono scoperti dai ricercatori dell’Università della California, Berkeley nel 1955, e l’antineutrone fu scoperto l’anno successivo. Ci sarebbero voluti altri 30 anni prima che gli scienziati creassero i primi antiatomi.
Nel 1995, i ricercatori del CERN hanno usato il Low Energy Antiproton Ring (LEAR) per rallentare piuttosto che accelerare gli antiprotoni. Così facendo, sono riusciti ad accoppiare positroni e antiprotoni insieme, producendo nove antiatomi di idrogeno, ciascuno della durata di soli 40 nanosecondi.
In tre anni, il gruppo del CERN produceva fino a 2000 atomi di anti-idrogeno all’ora.
Non è ancora abbastanza per ottenere una propulsione pratica di antimateria. Ci vorrebbero tonnellate di antiprotoni per viaggiare verso destinazioni interstellari, eppure la struttura del CERN produce solo abbastanza antiprotoni in un anno per accendere una lampadina da 100 watt per tre secondi. E questo senza considerare le enormi quantità di energia necessarie per alimentare gli intensi fasci che producono gli antiprotoni.
Nonostante, nel 2000 gli scienziati della NASA hanno annunciato i primi progetti per un motore ad antimateria che potrebbe essere in grado di alimentare un’astronave per un viaggio verso Marte usando solo un milionesimo di grammo di antimateria.
Il positrone ha trovato un’applicazione utile: la tomografia a emissione di positroni (PET). Questa tecnica di imaging medico utilizza annichilazioni a bassa energia di elettroni e positroni per visualizzare il funzionamento interno del cervello, iniettando nuclei radioattivi in un paziente e osservando le coppie di raggi gamma risultanti. L’energia prodotta è insufficiente per formare anche la particella più leggera e l’antimateria ed emerge invece come due raggi gamma.