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Un’impressione dell’artista di un atomo di antiidrogeno – un antiprotone caricato negativamente orbitato da un anti-elettrone di carica positiva, o positrone – intrappolato da campi magnetici. (Grafica di Katie Bertsche) (Clicca sull’immagine per la migliore risoluzione.)
Atomi di antimateria sono stati intrappolati e conservati per la prima volta dalla collaborazione ALPHA, un team internazionale di scienziati che lavorano al CERN, l’Organizzazione europea per la ricerca nucleare vicino a Ginevra, Svizzera. Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e dell’Università della California a Berkeley hanno dato contributi chiave allo sforzo internazionale in corso.
ALPHA ha immagazzinato atomi di antiidrogeno, che consiste in un singolo antiprotone caricato negativamente orbitato da un singolo anti-elettrone caricato positivamente (positrone). Mentre il numero di anti-atomi intrappolati è troppo piccolo per alimentare il reattore materia-antimateria della Starship Enterprise, questo progresso avvicina il giorno in cui gli scienziati saranno in grado di fare test di precisione delle simmetrie fondamentali della natura. Le misure degli anti-atomi potrebbero rivelare come la fisica dell’antimateria differisce da quella della materia ordinaria che domina il mondo che conosciamo oggi.
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Grandi quantità di atomi di antiidrogeno sono state prodotte al CERN otto anni fa da altri due team. Sebbene abbiano creato l’antimateria, non hanno potuto immagazzinarla, perché gli anti-atomi hanno toccato le pareti di materia ordinaria degli esperimenti entro milionesimi di secondo dopo essersi formati e sono stati istantaneamente annichiliti – completamente distrutti dalla conversione in energia e altre particelle.
“Intrappolare l’antiidrogeno si è rivelato molto più difficile che creare l’antiidrogeno”, dice il membro del team ALPHA Joel Fajans, uno scienziato del Berkeley Lab’s Accelerator and Fusion Research Division (AFRD) e un professore di fisica alla UC Berkeley. “ALPHA produce abitualmente migliaia di atomi di antiidrogeno in un solo secondo, ma la maggior parte sono troppo “caldi” – troppo energetici – per essere tenuti nella trappola. Dobbiamo essere fortunati per catturarne uno.”
La collaborazione ALPHA è riuscita ad utilizzare una bottiglia magnetica appositamente progettata chiamata Minimum Magnetic Field Trap. Il componente principale è un magnete ottupolare (otto poli magnetici) i cui campi tengono gli anti-atomi lontani dalle pareti della trappola e quindi impediscono loro di annichilirsi. Fajans e i suoi colleghi dell’AFRD e della UC hanno proposto, progettato e testato il magnete ottupolare, che è stato fabbricato a Brookhaven. Il membro del team ALPHA Jonathan Wurtele dell’AFRD, anche professore di fisica alla UC Berkeley, ha guidato un team di membri dello staff del Berkeley Lab e scienziati in visita che hanno usato simulazioni al computer per verificare i vantaggi della trappola a ottupolo.
In un prossimo numero di Nature ora online, il team ALPHA riporta i risultati di 335 prove sperimentali, ciascuna della durata di un secondo, durante le quali gli anti-atomi sono stati creati e conservati. Le prove sono state ripetute a intervalli mai inferiori a 15 minuti. Per formare l’antiidrogeno durante queste sessioni, gli antiprotoni sono stati mescolati con i positroni all’interno della trappola. Non appena il magnete della trappola veniva “spento”, gli antiatomi intrappolati venivano rilasciati, e la loro successiva annichilazione veniva registrata da rivelatori al silicio. In questo modo i ricercatori hanno registrato 38 atomi di anti-idrogeno, che erano stati tenuti nella trappola per quasi due decimi di secondo.
Le posizioni delle 38 annichilazioni di antiatomi reali (cerchi e triangoli) corrispondono alla distribuzione prevista di antiidrogeno (punti grigi nel pannello superiore) ma non alla distribuzione simulata di antiprotoni nudi (punti colorati nel pannello inferiore). Gli antiprotoni nudi caricati verrebbero indirizzati verso diversi cluster da diversi campi elettrici (rosso polarizzazione a destra, blu polarizzazione a sinistra, verde nessuna polarizzazione), ma gli antiatomi sono neutri quindi la loro distribuzione non è influenzata. (La stella viola è un positrone energetico.) (Clicca sull’immagine per la migliore risoluzione.)
“La prova che abbiamo intrappolato l’antiidrogeno si basa sullo stabilire che il nostro segnale non è dovuto a uno sfondo”, dice Fajans. Mentre è probabile che molti più di 38 atomi di antiidrogeno siano stati catturati durante le 335 prove, i ricercatori sono stati attenti a confermare che ogni evento candidato era in effetti un’annichilazione di antiatomo e non era il passaggio di un raggio cosmico o, più difficile da escludere, l’annichilazione di un antiprotone nudo.
Per discriminare tra eventi reali e sfondo, il team ALPHA ha utilizzato simulazioni al computer basate su calcoli teorici per mostrare come gli eventi di sfondo sarebbero stati distribuiti nel rivelatore rispetto a come sarebbero apparse le vere annichilazioni di antiidrogeno. Fajans e Francis Robicheaux della Auburn University hanno contribuito alle simulazioni di come gli antiprotoni intrappolati a specchio (quelli confinati dalle bobine del magnete intorno alle estremità del magnete a ottupolo) potrebbero imitare le annichilazioni anti-atomo, e come l’antiidrogeno reale si comporterebbe nella trappola.
Imparare dall’antimateria
Prima del 1928, quando gli anti-elettroni furono predetti su basi teoriche da Paul Dirac, l’esistenza dell’antimateria era insospettata. Nel 1932 gli anti-elettroni (positroni) furono trovati da Carl Anderson nei detriti dei raggi cosmici. I primi antiprotoni furono creati deliberatamente nel 1955 al Bevatron dei Berkeley Lab, l’acceleratore di particelle ad alta energia dell’epoca.
All’inizio i fisici non vedevano ragioni per cui antimateria e materia non dovessero comportarsi simmetricamente, cioè obbedire alle leggi della fisica allo stesso modo. Ma se così fosse, quantità uguali di ciascuna sarebbero state fatte nel big bang, nel qual caso avrebbero dovuto annichilirsi reciprocamente, senza lasciare nulla dietro di sé. E se in qualche modo questo destino fosse stato evitato, oggi dovrebbero rimanere quantità uguali di materia e antimateria, il che chiaramente non è il caso.
Negli anni ’60, i fisici scoprirono particelle subatomiche che decadevano in un modo possibile solo se la simmetria nota come coniugazione di carica e parità (CP) fosse stata violata nel processo. Di conseguenza, i ricercatori hanno capito che l’antimateria deve comportarsi in modo leggermente diverso dalla materia ordinaria. Tuttavia, anche se alcune antiparticelle violano la CP, le antiparticelle che si muovono indietro nel tempo dovrebbero obbedire alle stesse leggi della fisica delle particelle ordinarie che si muovono in avanti nel tempo. La simmetria CPT (T sta per tempo) non dovrebbe essere violata.
Un modo per testare questa assunzione sarebbe quello di confrontare i livelli di energia degli elettroni ordinari che orbitano intorno a un protone ordinario con i livelli di energia dei positroni che orbitano intorno a un antiprotone, cioè confrontare gli spettri degli atomi di idrogeno ordinario e di antiidrogeno. Testare la simmetria CPT con atomi di antiidrogeno è uno dei principali obiettivi dell’esperimento ALPHA.
Come fare e conservare l’antiidrogeno
Per fare l’antiidrogeno, gli acceleratori che alimentano i protoni al Large Hadron Collider (LHC) al CERN ne deviano alcuni per fare antiprotoni sbattendoli contro un bersaglio metallico; gli antiprotoni che ne risultano sono tenuti nell’anello Antimatter Decelerator del CERN, che consegna grappoli di antiprotoni ad ALPHA e ad un altro esperimento di antimateria.
Wurtele dice: “È difficile catturare i p-bar” – il simbolo dell’antiprotone è una piccola lettera p con una barra sopra – “perché bisogna raffreddarli da cento milioni di elettronvolt a cinquanta milionesimi di elettronvolt.”
Nell’esperimento ALPHA gli antiprotoni vengono passati attraverso una serie di barriere fisiche, campi magnetici ed elettrici, e nuvole di elettroni freddi, per raffreddarli ulteriormente. Infine gli antiprotoni a bassa energia vengono introdotti nella regione di intrappolamento di ALPHA.
Nel frattempo i positroni a bassa energia, provenienti da decadimenti in una sorgente radioattiva di sodio, vengono portati nella trappola dall’estremità opposta. Essendo particelle cariche, sia i positroni che gli antiprotoni possono essere tenuti in sezioni separate della trappola da una combinazione di campi elettrici e magnetici – una nuvola di positroni in un “pozzo in alto” al centro e gli antiprotoni in un “pozzo in basso” verso le estremità della trappola.
Per unirsi ai positroni nel loro pozzo centrale, gli antiprotoni devono essere accuratamente spinti da un campo elettrico oscillante, che aumenta la loro velocità in modo controllato attraverso un fenomeno chiamato autoresonanza.
“È come spingere un bambino su un’altalena”, dice Fajans, che accredita il suo ex studente laureato Erik Gilson e Lazar Friedland, professore alla Hebrew University e visitatore a Berkeley, con lo sviluppo iniziale della tecnica. “Quanto in alto va l’altalena non ha molto a che fare con quanto forte spingi o quanto è pesante il bambino o quanto sono lunghe le catene, ma invece con la tempistica delle tue spinte.”
Antiprotoni e positroni sono portati nella trappola ALPHA da estremità opposte e trattenuti da campi elettrici e magnetici. Portati insieme, formano anti-atomi neutri in carica ma con un momento magnetico. Se la loro energia è abbastanza bassa, possono essere trattenuti dall’ottupolo e dai campi speculari della trappola del campo magnetico minimo. (Clicca sull’immagine per la migliore risoluzione.)
La nuova tecnica di autoresonanza si è rivelata essenziale per aggiungere energia agli antiprotoni in modo preciso, al fine di formare antiatomi di energia relativamente bassa. Gli antiatomi appena formati sono neutri in carica, ma a causa del loro spin e della distribuzione delle cariche opposte dei loro componenti, hanno un momento magnetico; se la loro energia è abbastanza bassa, possono essere catturati nel campo magnetico dell’ottupolo e nei campi speculari della trappola del campo magnetico minimo.
Delle migliaia di atomi di antiidrogeno prodotti in ogni sessione di miscelazione di un secondo, la maggior parte sono troppo energetici per essere trattenuti e si annientano contro le pareti della trappola.
Liberare l’ALPHA 38
Dopo la miscelazione e l’intrappolamento – più la “pulizia” dei molti antiprotoni nudi che non hanno formato l’antiidrogeno – il magnete superconduttore che produce il campo confinante viene bruscamente spento – in soli nove millesimi di secondo. Questo provoca il “quench” del magnete, un rapido ritorno alla conduttività normale che si traduce in un rapido riscaldamento e stress.
“I quench di un millisecondo sono quasi sconosciuti”, dice Fajans. “Spegnere deliberatamente un magnete superconduttore è di solito fatto migliaia di volte più lentamente, e non con un quench. Abbiamo fatto molti esperimenti al Berkeley Lab per assicurarci che il magnete ALPHA potesse sopravvivere a molteplici spegnimenti rapidi.”
Dall’inizio del quench i ricercatori hanno lasciato 30 millesimi di secondo per qualsiasi antiidrogeno intrappolato per uscire dalla trappola, così come qualsiasi antiprotone nudo che potrebbe essere ancora nella trappola. I raggi cosmici potrebbero anche vagare attraverso l’esperimento durante questo intervallo. Usando i campi elettrici per spazzare la trappola di particelle cariche o dirigerle verso un’estremità dei rivelatori o l’altra, e confrontando i dati reali con le simulazioni al computer delle annichilazioni di antiidrogeno candidate e degli eventi simili, i ricercatori sono stati in grado di identificare senza ambiguità 38 atomi di antiidrogeno che erano sopravvissuti nella trappola per almeno 172 millisecondi, quasi due decimi di secondo.
Dice Fajans: “Il nostro rapporto su Nature descrive i primi successi di ALPHA nell’intrappolare atomi di antiidrogeno, ma stiamo costantemente migliorando il numero e la durata del tempo in cui possiamo trattenerli. Ci stiamo avvicinando al punto in cui possiamo fare alcune classi di esperimenti sugli atomi di antimateria. I primi tentativi saranno rozzi, ma nessuno ha mai fatto nulla di simile prima d’ora.”
“Trapped Antihydrogen,” di Gorm Andresen, Mohammad Dehghani Ashkezari, Marcelo Baquero-Ruiz, Will Bertsche, Paul Bowe, Eoin Butler, Claudio Lenz Cesar, Steve Chapman, Michael Charlton, Adam Deller, Stefan Eriksson, Joel Fajans, Tim Friesen, Makoto Fujiwara, Dave Gill, Andrea Gutierrez, Jeffrey Hangst, Walter Hardy, Mike Hayden, Andrew Humphries, Richard Hydomako, Matthew Jenkins, Svante Jonsell, Lars Jørgensen, Leonid Kurchaninov, Niels Madsen, Scott Menary, Paul Nolan, Konstantin Olchanski, Art Olin, Alex Povilus, Petteri Pusa, Francis Robicheaux, Eli Sarid, Sarah Seif el Nasr, Daniel de Miranda Silveira, Chukman So, James Storey, Robert Thompson, Dirk Peter van der Werf, Jonathan Wurtele e Yasunori Yamazaki, è disponibile nella pubblicazione online anticipata di Nature. ALPHA è sostenuto in parte dalla National Science Foundation e dall’Office of Science del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.
Berkeley Lab è un laboratorio nazionale del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti gestito dall’Università della California per il DOE Office of Science. Visita il nostro sito web.