Cosmo e Antimateria 1 Costituenti della materia 2

Cosmo e Antimateria 1. Costituenti della materia 2. Cos’è l’Antimateria? 3. Antimateria a Terra 4. Antimateria nello Spazio 5. Antimateria e Big Bang Marco Giammarchi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Via Celoria 16 – 20133 Milano (Italy) marco. giammarchi@mi. infn. it http: //pcgiammarchi. mi. infn. it/giammarchi/ Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 1

Angeli o Demoni? Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 2

1. Costituenti della materia 2. Cos’è l’Antimateria? 3. Antimateria a Terra 4. Antimateria nello Spazio 5. Antimateria e Big Bang Cosa abbiamo imparato (a scuola) ? • Materia composta da costituenti fondamentali: atomi, nuclei PROTONE quark Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 Sappiamo costruire qualsiasi cosa materiale (sulla Terra o nei Cieli) usando questi ingredienti fondamentali 3

Costituenti fondamentali della materia: Quark e Leptoni Sono elementari al meglio di 10 -18 m Materia ordinaria Hanno spin e carica ben definiti Costituiscono la materia in condizioni ordinarie M a s s a Costituiscono le particelle instabili Decadono in particelle stabili Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 4

Costituenti fondamentali: Quark Leptoni Anti. Quark e Anti. Leptoni Cariche opposte Ad esempio il Protone Antiprotone (scoperto nel 1955) Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 5

2. Cos’è l’Antimateria? 1. Costituenti della materia 2. Cos’è l’Antimateria? 3. Antimateria a Terra 4. Antimateria nello Spazio 5. Antimateria e Big Bang Atomo (protone, elettrone) e Anti. Atomo (antiprotone, positrone) Perché abbiamo atomi e non anti-atomi? Perché questa situazione asimmetrica? Stelle / Anti. Stelle? Persone / Anti. Persone? Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 6

Particella/Antiparticella hanno cariche opposte: si possono annullare (annichilire a vicenda) traformando tutta la massa in energia Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 7

Particelle e antiparticelle: la “nascita” della fisica delle particelle 1928: Equazione di Dirac, Relatività Speciale e Meccanica Quantistica. Le soluzioni nel sistema a riposo sono 4 stati: • E>0, s=+1/2 • E>0, s=-1/2 • E<0, s= +1/2 • E<0, s= -1/2 Elettrone, s=+1/2 Elettrone, s=-1/2 Positrone, s=-1/2 Il positrone, particella identica all’elettrone e- ma avente carica positiva: e+. La prima previsione della teoria quantistica relativistica Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 8

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 delle particelle elementari Antiparticella: stessa massa della particella ma carica (e momento magnetico) opposti I costituenti fondamentali hanno tutti un’antiparticella ! Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 9

3. Antimateria a Terra 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… 1) Le antiparticelle sono stabili? 2) Possiamo costruire strutture più grandi di antimateria? L’antimateria da sola è stabile quanto la materia. Ma noi viviamo in un mondo di materia. Una particella di antimateria ha tutti i numeri quantici OPPOSTI a una di materia ! Appena urta la materia, tutto si trasforma in radiazione Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 10

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 Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 11

Studiare l’Antimateria sulla Terra? Una macchina dedicata al CERN: 1) Antiproton Decelerator 2) Produzione e studio di anti-H • Produzione anti-idrogeno • Confinamenteo anti-H • Gravità anti-H • Elio antiprotonico Esperimento ALPHA: • Adroterapia con antiprotoni Inizio spettroscopia anti-H 1000 atomi di anti-H prodotti e confinati / 8 ore Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 12

E le proprietà quantistiche dell’antimateria? Come quelle della materia? Evidenze indirette: schiaccianti L’evidenza più diretta: interferenza di elettroni singoli P. G. Merli, G. F. Missiroli, G. Pozzi, On the statistical aspect of electron interference phenomena. Am J Phys. 44, 306– 307 (1976). A. Tonomura, Demonstration of single electron buildup of an interference pattern. Am. J. Phys. 57, 117– 120 (1989). "The most beautiful experiment". Physics World 2002. Mai fatto con anti-particelle fino al 2018 Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 13

Laboratorio VEPAS a Como - Fascio di positroni - Sorgente radioattiva Na-22 - Emulsioni nucleari (Berna) Prima osservazione di interferometria quantistica di antimateria arxiv. org/abs/1808. 08901 Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 Il primo pattern di interferenza quantistica di antiparticelle Positroni con energia cinetica di 14 ke. V 14

4. Antimateria nello Spazio Raggi Cosmici: particelle provenienti dallo spazio 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 ? Quante? Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 15

Rivelatori a Terra Pierre Auger Observatory Pampa Amarilla - Argentina Raggi cosmici colpiscono l’atmosfera Produzione di tante altre particelle Rivelazione a Terra Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 16

Rivelatori nello spazio AMS: Alpha Magnetic Spectrometer Ricerca antiparticelle nello spazio Lanciato nel Maggio 2011 Residente sulla Stazione Spaziale Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 17

4. Antimateria e Big Bang 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) Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 18

Il modello del Big Bang: 1) 2) 3) 4) 5) 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 Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 19

Particelle/Antiparticelle libere Una storia termica dell’universo Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 20

Particelle/Antiparticelle libere Queste reazioni creano e distruggono particelle/antiparti celle 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 Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 21

Ma questi tempi primordiali sono «lunghi» o «corti» ? Frazioni di secondo Particelle relativistiche senza massa Reazione che tiene A in equilibrio con altre specie presenti In equilibrio durante l’espansione Fuori equilibrio durante l’espanzione Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 22

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 L’Universo (delle particelle) non dovrebbe esistere! Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 23

L’universo nella sua storia produce le particelle Ad esempio, produce protoni, antiprotoni, elettroni, positroni Atomi di Idrogeno, Anti. Atomi di Idrogeno Secondo il «buon senso» ci saremmo aspettati un numero di particelle uguale a quello delle antiparticelle Ma la fisica non è il buon senso Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 24

Per qualche ragione 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 Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 25

Probabile colpevole: Violazione di CP Il mistero della asimmetria materi-antimateria è correlato con le proprietà quantistiche delle particelle. Tale mistero persiste perché la asimmetria materia-antimateria misurata nei laboratori appare insufficiente. ? Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 26

Mistero Cosmologico e Quantistico Lo studio delle proprietà del cosmo (delle particelle) acquista la sua piena prospettiva se illustrato alla luce delle proprietà delle particelle (del cosmo). Grazie per l’attenzione Microcosmo Macrocosmo Planetario di Milano - 7 Marzo 2019 27