Lezione 1

Alla scoperta di Anti-Me,
Alla scoperta di Anti-Te
“Antimateria? È una roba molto infiammabile, no? L’ho visto
in ‘Angeli e demoni’ e in ‘Star Trek’…”
“
“Un qualche carburante per navi spaziali… usano reattori
materia-antimateria, no?”
“Ho letto che potrebbe essere il carburante del futuro“
“OK allora. Diccelo- che cos’è l’antimateria”
“…e dove posso prenderne un po’?”
Dal film “Angeli & Demoni” (2009)*
Per vedere il video, click sulla figura:
*Nella lezione “Operazione: Annichilimento!” vedremo la clip in maggiore dettaglio. Qui ora è solo un antipasto.
L’idea dell’antimateria ha circolato nella cultura
popolare molto prima dell’uscita del film “Angeli e
Demoni”
(o del romanzo di Dan Brown del 2000 su cui il film è basato).
Ecco alcuni esempi dalla serie televisiva “Star Trek”:
Da Star Trek (Serie originale)
Stagione 3 episodio “Quello che sopravvive” (1969)
Spock:
Scotty:
Spock:
Scotty:
Spock:
Scotty:
Spock:
Scotty:
Spock:
Se mi ricordo il percorso del nostro flusso di carburante, c’è un corridoio di accesso che conduce alla
camera di reazione materia-antimateria.
Già, c’è un condotto di servizio, ma non può essere usato mentre l’integratore funziona.
Però c’è e forse possiamo chiudere il flusso del carburante in quel punto.
Con cosa? A mani nude?
Una sonda magnetica.
La materia che entra in contatto con l’antimateria fa scattare l’esplosione. E io non sono neanche sicuro
che si possa vivere In un condotto immerso nel flusso del campo magnetico che imbottiglia
l’antimateria!
Voglio provarci.
Morirai!
Se non troviamo rapidamente una soluzione, questa è la sorte che ci aspetta tutti.
Star Trek © Paramount Pictures
Da Star Trek (Serie originale)
Stagione 1 episodio “Il fattore alternativo” (1967)
Kirk:
Non ti seguo.
Spock:
Immagina questo: due universi paralleli, uno positivo e l’altro negativo..
O più precisamente, uno di materia, l’altro di antimateria.
Kirk:
Ti rendi conto di quello che dici? Materia e antimateria hanno la tendenza
a distruggersi a vicenda —violentemente.
Spock:
Precisamente. A certe condizioni— quando due particelle identiche di
materia e antimateria si incontrano. Annichilimento, Jim.
Totale, completo, assoluto annichilimento.
Star Trek © Paramount Pictures
Da Star Trek (La nuova generazione)
Stagione 1 episodio “Coming of Age” (1988)
Voce del Computer:
L’ultima domanda del test sulla fisica dell’iperspazio:
“Se i serbatoi di materia e antimateria di una astronave
classe galaxy sono vuoti al 90%, calcola il rapporto di
mescolamento necessario per raggiungere una base
stellare lontana 100 anni luce con fattore di
deformazione 8”. Comincia.
Star Trek © Paramount Pictures
Bene, questo è quanto i film e la televisione ci hanno
detto sull’antimateria.
Ma qual è la realtà?
Solo QUATTRO particelle formano tutta la materia
visibile dell’ Universo*…
elettrone
neutrino
quark up
*Per un breve tutorial sulle particelle fondamentali,
guarda “Cosa sono gli Indivisibili?” nei Materiali di Background :
quark down
Però, l’Universo ha ancora altre particelle nella manica.
Per prima cosa, ogni particella di materia ha un gemello.
No, non un cattivo gemello…
elettrone
neutrino
quark up
quark down
…un gemello di ANTIMATERIA.
elettrone
neutrino
quark up
quark down
positrone
anti-neutrino
anti-up quark
anti-down quark
Si usa di solito una barra sopra il simbolo di una antiparticella per distinguerla dal gemello di materia
(l’eccezione è il positrone, dove si usa un ‘+’ invece del ‘-’ dell’elettrone).
L’antimateria non è roba da fantascienza. Essa esiste.
E’ roba (o piuttosto anti-roba) di vera scienza.
elettrone
neutrino
quark up
quark down
positrone
anti-neutrino
anti-up quark
anti-down quark
Si usa di solito una barra sopra il simbolo di una antiparticella per distinguerla dal gemello di materia
(l’eccezione è il positrone, dove si usa un ‘+’ invece del ‘-’ dell’elettrone).
Materia, Antimateria: Qual è la differenza?
C’è una differenza ovvia ed essenziale:
Una particella di materia che ha CARICA ELETTRICA
ha una antiparticella gemella con carica esattamente opposta.
Se vuoi informazioni sulla carica elettrica che riguardano
questa lezione, guarda “Lo caricherai?”
nei Materiali di Background:
−1
+1
Materia, Antimateria: Qual è la differenza?
C’è una differenza ovvia ed essenziale:
Una particella di materia che ha CARICA ELETTRICA
ha una antiparticella gemella con carica esattamente opposta.
Per esempio, dato che l’elettrone ha una carica di -1.
Elettrone
Carica: -1
Positrone
Carica: +1
−1
+1
Ricorda che
protoni e neutroni
sono fatti di particolari combinazioni
di quark up e down,
e che questi quark hanno carica frazionaria…
PROTONE
(p)
Composto di:
2 quark up e
1 quark down
+⅔
+⅔
-⅓
Carica totale:
⅔ + ⅔ − ⅓ = +1
NEUTRONE
(n)
Composto di:
1 quark up e
2 quark down
-⅓
+⅔
-⅓
Carica totale:
⅔−⅓−⅓ = 0
Analogamente, antiprotoni e antineutroni sono fatti di particolari
combinazioni di quark
anti-up e anti-down.
Di nuovo, i quark anti-up e anti-down
hanno carica opposta ai loro gemelli di materia…
ANTIPROTONE
(p):
Composto di:
2 quark anti-up e
1 quark anti-down
-⅔
-⅔
+⅓
Carica totale:
-⅔ − ⅔ + ⅓ = −1
ANTINEUTRONE
(n):
Composto di:
1 quark anti-up e
2 quark anti-down
+⅓
-⅔
+⅓
Carica totale:
-⅔ + ⅓ + ⅓ = 0
Nota che anche gli antineutroni hanno carica zero. Se una particella non ha carica, allora anche la sua
antiparticella non ha carica.
In un campo magnetico, una particella carica sarà deflessa della stessa
quantità della sua antiparticella
MA
nella direzione opposta:
Per esempio….
Direzione del campo magnetico
S
N
Deflessione di un ELETTRONE
in un campo magnetico
Direzione del campo magnetico
S
N
Deflessione di un POSITRONE
in un campo magnetico
In cosa sono simili la Materia e
l’Antimateria?
Per quanto si sa, particelle e antiparticelle hanno
masse IDENTICHE.
(Il fatto che una particella e la sua antiparticella siano deflesse
della stessa quantità in un campo magnetico, ci dice che
la massa di una particella e della sua antiparticella sono identiche).
Per esempio…
massa protone = massa antiprotone
Noi CREDIAMO anche, benchè debba ancora essere
PROVATO sperimentalmente,
che l’antimateria si comporti ALLO STESSO MODO della
materia
sotto l’influenza della GRAVITA’.
Antimateria
Materia
Per esempio,
se si fosse capaci di far cadere
una certa quantità di
materia e antimateria
in un campo gravitazionale,
crediamo che esse
accelererebbero esattamente
allo stesso modo.
Per esempio,
se si fosse capaci di far cadere
una certa quantità di
materia e antimateria
in un campo gravitazionale,
crediamo che esse
accelererebbero esattamente
allo stesso modo.
Materia
Antimateria
In aggiunta alle antiparticelle fondamentali,
sono possibili interi anti-atomi.
In effetti, gli uomini ne hanno già fabbricato uno:
ANTI-IDROGENO
Buon vecchio IDROGENO.
E’ il più semplice atomo conosciuto.
E’ composto di 1 protone e 1 elettrone.
Rappresentiamo un atomo di idrogeno come un
elettrone orbitante attorno al nucleo, un protone.
Idrogeno (H)
Rappresentiamo un atomo di idrogeno come un
elettrone orbitante attorno al nucleo, un protone.
MA RICORDA — questo NON è un disegno accurato!
(Fra l’altro, in una giusta scala, l’elettrone avrebbe
dovuto essere disegnato a circa 1 kilometro dal
protone).
Idrogeno (H)
Rappresentiamo un atomo di idrogeno come un
elettrone orbitante attorno al nucleo, un protone.
MA RICORDA — questo NON è un disegno accurato!
(Fra l’altro, in una giusta scala, l’elettrone avrebbe
dovuto essere disegnato a circa 1 kilometro dal
protone).
Idrogeno (H)
Rappresentiamo ora un atomo di anti-idrogeno
come un positrone orbitante attorno al nucleo, un
antiprotone.
(Valgono le stesse avvertenze!)
AntiIdrogeno (H)
-
Al CERN, nel 1995,
furono creati i primissimi atomi di ANTI-IDROGENO.
Da una produzione iniziale nel 1995
di appena pochi atomi in 3 settimane,
ne sono stati prodotti alcuni milioni su base mondiale
negli anni seguenti.*
Benchè questo possa sembrare impressionante,
ricorda che occorrono circa
600,000,000,000,000,000,000,000 atomi di anti-idrogeno
per fare appena un grammo.
* Guarda questi link per saperne di più:
http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases1996/PR01.96EAntiHydrogen.html
Antihydrogen Atoms Made At Cern
http://cool-antihydrogen.web.cern.ch/cool-antihydrogen/
Quanto possiamo andare avanti?
Potremmo avere altri anti-atomi?
Per esempio anticarbonio, antiazoto, antiossigeno?
E l’intera Anti-Tavola Periodica?
DAL PUNTO DI VISTA TEORICO,
COMBINAZIONI DI
POSITRONI, ANTIPROTONI E ANTINEUTRONI
POTREBBERO GENERARE L’ANTI-VERSIONE DI TUTTI GLI
ELEMENTI DELLA TAVOLA PERIODICA.
Benchè ciò possa irritare il tuo insegnante di chimica,
la chimica è fondamentalmente lo studio di ciò che accade
quando gruppi di atomi stanno insieme.
Quando due atomi di idrogeno si avvicinano,
i loro nuclei si respingono (perché?).
La repulsione è superata perché
l’elettrone di un atomo attrae
il protone dell’altro atomo.
La migliore configurazione si ha quando gli atomi sono legati assieme.
Allora si ha una molecola di idrogeno.
COME ESERCIZIO, RIPETI LA FORMAZIONE DI UNA MOLECOLA DI
IDROGENO,
STAVOLTA USANDO SOLO ATOMI DI ANTI-IDROGENO.
CI SAREBBE QUALCHE DIFFERENZA DAL PUNTO DI VISTA DELLE
FORZE DI ATTRAZIONE E REPULSIONE?
SI POTREBBE FORMARE UNA MOLECOLA DI ANTI-IDROGENO?
(Per quanto riguarda le forze di attrazione e repulsione, c’è una completa
simmetria tra i due casi. Così, POTREBBE essere formata una molecola di
anti-idrogeno)
Possiamo andare avanti?
Se molecole di anti-idrogeno sono una possibilità teorica,
E
la chimica dell’antimateria è identica a quella della materia…
allora cosa dire riguardo a molecole SEMPRE PIU’ GRANDI?
COME PICCOLO ESPERIMENTO MENTALE,
MANTIENI QUESTA LINEA DI PENSIERO QUANTO PIU’ PUOI…
A COSA ARRIVI?
E riguardo a un Anti-Te?
A cosa assomiglierebbe il tuo Anti-Te?
Prendiamo Te
Insert your
photo here
e, cambiate le cariche di tutte le tue particelle
(elettroni in positroni, protoni in antiprotoni e neutroni in antineutroni),
le forze risultanti sarebbero le stesse.
Queste forze danno la tua struttura—e quindi, la tua apparenza.
Cosi, l’Anti-Te
sarebbe esattamente uguale a
Te.
Insert your
photo here
AGAIN
Comunque, se Tu e l’Anti-Tu doveste incontrarvi…
e, cambiate le cariche di tutte le tue particelle
(elettroni in positroni, protoni in antiprotoni e neutroni in antineutroni),
le forze risultanti sarebbero le stesse.
Cosi, l’Anti-Te
sarebbe esattamente uguale a
Te.
Insert your
photo here
AGAIN
Comunque, se Tu e l’Anti-Tu doveste incontrarvi…
Per capire cosa accadrebbe in questo incontro,
vai alla lezione “Operazione: Annichilimento!”.
Una Nota Finale:
Talvolta vedrai un anti-oggetto rappresentato come
una immagine speculare e negativa dell’oggetto originale.
Per esempio:
BANANA
ANTI-BANANA
Nella Estensione “Attraverso lo specchio”, vedremo perchè l’antimateria può
essere pensata come una immagine speculare e negativa della materia. Ma si
dovrebbe capire che un blocco di antimateria sembrerebbe identico al blocco di
materia. Una rappresentazione come quella sopra è semplicemente un effetto
speciale!