Spazio e Antimateria 1 Costituenti della materia 2

Spazio 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 G. 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 - 27 Ottobre 2011 1

Angeli o Demoni? Per favore prendetemi sul serio ! Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 2

1. Costituenti della materia 2. Cos’è l’Antimateria? 3. Antimateria a Terra 4. Antimateria nello Spazio 5. Antimateria e Big Bang Ossigeno Cosa abbiamo imparato (a scuola) ? Idrogeno • Materia composta da costituenti fondamentali: molecole, atomi, nuclei quark PROTONE quark Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 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 - 27 Ottobre 2011 4

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

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 PROTONE Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 6

Esperimenti su particelle ai grandi acceleratori: Sistemi complessi composti da rivelatori specializzati CMS al CERN di Ginevra CDF al Fermilab (Chicago)

Un mondo di particelle fondamentali e forze tra particelle fondamentali 8

Il concetto di forza In fisica classica: In fisica quantistica • Azione istantanea a distanza • Campo (Faraday, Maxwell) • Scambio di quanti

1. Costituenti della materia 2. Cos’è l’Antimateria? 3. Antimateria a Terra 4. Antimateria nello Spazio 5. Antimateria e Big Bang Una prima risposta: cambiare la carica elettrica di tutti? Una banalita’: lo scambio di tutte le cariche delle particelle Problemi: 1) Le strutture complesse? (un atomo, una molecola) 2) Le particelle neutre? Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 10

Facciamo un passo indietro e ricordiamoci che tutto è costituito da particelle (considerate) elementari Velocita’ basse v << c Velocita’ alte v simile a c Sistema macroscopico Pienamente Classico Relativistico (non quantistico) Sistema atomico Quantistico (non relativistico) Quantistico Relativistico ? Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 11

Particelle e antiparticelle: la “nascita” della fisica delle particelle 1928: Equazione di Dirac, sintesi di Relatività Speciale e Meccanica Quantistica. Una Equazione relativisticamente invariante per particelle a spin ½. 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 Reinterpretando gli stati a energia negativa come antiparticelle dell’elettrone: Il positrone, particella identica all’elettrone e- ma avente carica positiva: e+. La prima previsione della teoria quantistica relativistica 12

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 ! Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 13

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: Ad esempio l’anti-neutrone: NEUTRONE: QUARKS Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 ANTINEUTRONE: ANTIQUARKS 14

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 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 Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 15

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 Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 16

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 - 27 Ottobre 2011 17

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 • Eli antiprotonico • Adroterapia con antiprotoni Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 18

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) Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 19

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 ? Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 20

Nello spazio intervengono numerosi processi di accelerazione di particelle Esempio: una pulsar come acceleratore di particelle ! Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 21

Motivazioni per la ricerca di antiparticelle nello spazio Siccome l’Universo appare composto di materia (non di antimateria): 1) 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 Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 22

AMS: Alpha Magnetic Spectrometer Ricerca antiparticelle nello spazio Lanciato nel Maggio 2011 Residente sulla Stazione Spaziale Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 23

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 - 27 Ottobre 2011 24

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 - 27 Ottobre 2011 25

Particelle/Antiparticelle libere Una storia termica dell’universo Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 26

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 - 27 Ottobre 2011 27

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 Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 28

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 Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 29

Lo studio delle proprietà di antiparticelle e particelle può risolvere uno dei misteri più profondi del cosmo. Grazie per la vostra attenzione Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011