ACCADEMIA NAZIONALE DEI LINCEI 9 febbraio 2007-02

ACCADEMIA NAZIONALE DEI LINCEI
9 febbraio 2007-02-09
Italo Mannelli
Scuola Normale Superiore di Pisa
MATERIA E ANTIMATERIA
Ricerca e applicazioni
(Riassunto)
GENERALITA’
L’esistenza di coppie di oggetti, identici da un certo punto di vista, ma con proprietà opposte
da un altro, è comune in molti campi.
Al livello dei costituenti fisici fondamentali della Natura tuttavia l’idea è nata solo 77 anni
or sono ed è trascorso un periodo di tempo di vari decenni prima che si sviluppasse nella
concezione attuale di MATERIA ed ANTIMATERIA. Perché questa idea potesse essere concepita
è stata necessaria la conoscenza della relatività, almeno nella versione della cosiddetta relatività
ristretta, e della meccanica quantistica. In effetti, fu la ricerca della forma relativistica della
equazione adatta a descrivere gli elettroni in modo coerente con la meccanica quantistica, conclusa
con successo da Paul Dirac nel 1928, che indusse lo stesso a formulare l’idea che, in coppia con
l’elettrone, dovesse esistere la sua “antiparticella” con carica elettrica opposta a quella dell’elettrone
stesso. Inizialmente l’identificazione fu con il protone, cioè il nucleo di idrogeno, che appunto si
sapeva possedere carica elettrica di segno opposto e di valore assoluto eguale a quella dell’elettrone.
In questo caso, a parte la carica, non ci sarebbe stato nessun rapporto particolare fra le altre
proprietà di una particella e quelle della sua antiparticella.
La novità fondamentale venne nel 1932 con la scoperta sperimentale, da parte di C.
Anderson, della produzione, indotta da un raggio cosmico in una camera a nebbia, di una particella
con carica elettrica positiva, come il protone, ma con massa misurata compatibile con quella
dell’elettrone stesso. A tale particella fu dato il nome di “positrone”.
Il concetto di particella – antiparticella fu precisato gradualmente nel tempo, con la scoperta
di quelli che, al giorno d’oggi, sono considerati i costituenti fondamentali della materia, cioè i quark
e i leptoni. Infatti a ciascuno di essi corrisponde la sua antiparticella con esattamente la stessa massa
ed, eguali in valore assoluto ma opposti in segno, oltre alla carica elettrica, tutti gli altri attributi
quali il numero barionico, il numero leptonico, il “sapore”, il “colore” etc che distinguono, che
caratterizzano ciascun componente delle TRE FAMIGLIE di quark e leptoni di cui si conosce
l’esistenza in Natura. Questa relazione di identità e antinomia fra materia ed antimateria si suppone
sussista non soltanto fra i costituenti elementari ma fra ogni loro composto ad esempio fra nuclei ed
antinuclei, atomi ed antiatomi, anche se per ora è verificata sperimentalmente solo per i casi più
semplici. L’uguaglianza della massa fra particella e antiparticella vale, coerentemente con il
principio di equivalenza della relatività generale, anche per quanto riguarda il loro peso, ossia il
segno dell’accoppiamento gravitazionale.
L’altra proprietà fondamentale, che caratterizza una particella e la sua antiparticella, è che,
quando queste arrivano ad essere in contatto fra di loro, si “annichilano”, conservando l’energia
totale posseduta dalla coppia e producendo coppie di fotoni e/o, se la conservazione dell’energia lo
consente, coppie di leptoni – antileptoni o quark – antiquark.
Con l’evoluzione delle conoscenze sperimentali e del loro inquadramento teorico
nell’ambito della Teoria Standard si è compreso che i quark, a causa delle proprietà della cosiddetta
Cromodinamica Quantistica (QCD), non compaiono mai isolati, ma in gruppi di 3 quark (protoni,
neutroni e tutti gli altri “barioni”) o di una coppia quark – antiquark (i cosiddetti mesoni). Inoltre, in
tutte le interazioni osservate finora fra barioni, mesoni e leptoni, contando i costituenti nello stato
iniziale e finale, si è sempre constatato che il numero di quark meno il numero di antiquark ed il
numero di leptoni meno il numero di antileptoni presenti nello stato iniziale e finale è IDENTICO,
mentre possono cambiare, secondo specifiche regole di selezione, le appartenenze alle differenti
famiglie.
COSMOLOGIA E VIOLAZIONE DI CP
In condizioni “ordinarie”, più precisamente per energie inferiori a 1,02 milioni di eV
(centinaia di migliaia di volte la temperatura superficiale del Sole), sulla Terra, e per quanto
osservato finora nell’Universo, esiste solo MATERIA. A questo proposito va citato che è in
avanzato stadio di realizzazione un esperimento, AMS, che è previsto sarà installato sulla stazione
spaziale internazionale dalla NASA. Se venisse scoperto che nei raggi cosmici esistono antinuclei di
elevato numero atomico, praticamente impossibili da produrre a meno che non ci sia stato un certo
grado di separazione materia antimateria al momento stesso della nucleosintesi, l’affermazione
precedente sarebbe naturalmente smentita.
Per adesso una domanda ineludibile è:
DOVE E’ ANDATA A FINIRE L’EQUIVALENTE QUANTITA’ DI ANTIMATERIA,
CHE E’ LECITO SUPPORRE FOSSE PRESENTE POCHI ISTANTI DOPO IL BIG BANG, SE
L’EVOLUZIONE
DELL’UNIVERSO
AVESSE
OSSERVATO
RIGOROSAMENTE
LE
REGOLE DESCRITTE DI SOPRA. IL RESIDUO ATTUALE DI TALE EVOLUZIONE NON
AVREBBE DOVUTO ESSERE SOLO FOTONI E NEUTRINI INVECE DI GALASSIE,
PIANETI, ESSERI VIVENTI?
Andrei Sacharov formulò per primo nel 1967 le condizioni NECESSARIE perché il risultato
fosse quello che osserviamo e cioè:
1) la conservazione del NUMERO BARIONICO non è ASSOLUTA (come quella della
energia o della carica elettrica), ma può bastare una violazione compatibile con il limite
inferiore sperimentale attuale della vita media del protone ( > 1034 anni).
2) la probabilità di transizione MATERIA – ANTIMATERIA non deve essere esattamente
eguale a quella ANTIMATERIA – MATERIA.
3) le circostanze precedenti devono essere state attive almeno in un periodo di tempo quando
l’UNIVERSO stava evolvendo in modo esplosivo, fuori dall’equilibrio termodinamico.
Un modo equivalente di formulare la condizione 2) è quello di affermare che esiste una
VIOLAZIONE della SIMMETRIA CP, dove con C viene indicata l’operazione di scambio di un
quark con un antiquark – CONIUGAZIONE DI CARICA e con P l’operazione di riflessione
spaziale – PARITA’ (scambio della destra con la sinistra). Per soddisfare la 2) non basta violare la
simmetria sotto C perché fu dimostrato, dopo la scoperta della violazione della Parità (1956) nelle
interazioni deboli, che la simmetria era di nuovo rispettata dall’operazione combinata CP.
La scoperta, nel 1964, che nel caso specifico delle cosiddette oscillazioni dei mesoni K neutri la
simmetria rispetto a CP non era esattamente rispettata, ha aperto un campo di ricerca sperimentale e
teorica che è tuttora attivo e presumibilmente rimarrà di primario interesse nel futuro almeno a
medio termine. In particolare, dopo circa 30 anni, durante i quali nessun effetto qualitativamente
nuovo era stato osservato rispetto alla scoperta originale, la cosiddetta VIOLAZIONE DIRETTA di
CP è stata scoperta nel decadimento in due mesoni pi-greco dei K neutri al CERN e la FERMILAB.
Più recentemente una pluralità di misure relative alla violazione di CP nei mesoni contenenti quark
di tipo b, effettuate alle cosiddette b-Factories, appositamente costruite a SLAC e a KEK, hanno
fornito risultati di grande interesse e generalmente consistenti con la Teoria Standard.
Tuttavia, finora, lo studio sperimentale della Violazione di CP non ha rivelato caratteristiche
tali, nell’opinione degli astrofisica “addetti ai lavori”, da poter soddisfare qualitativamente la
seconda condizione di Sacharov e probabilmente bisognerà attendere risultati da nuovi esperimenti
ancora a livello concettuale nel settore dei leptoni e non solo dei quark.
RICERCA SU MATERIA – ANTIMATERIA E INTERAZIONE – ELETTRODEBOLE
A cominciare dalla soglia in energia corrispondente a due volte la massa di riposo dell’elettrone,
l’interazione elettromagnetica fra un fotone ed il campo di un nucleo atomico produce coppie
elettrone – positrone e viceversa una coppia elettrone – positrone si annichila tipicamente in due (o
più) fotoni.
Partendola un fotone di alta energia che incide su un blocco di materiale, ad esempio piombo, si
genera pertanto una vera e propria cascata elettromagnetica nel senso che in media, attraversando
uno spessore che viene definito convenzionalmente come i 9/7 di una lunghezza di radiazione, in
circa i 2/3 dei casi il fotone si “converte” in una coppia e- e+; successivamente l’elettrone ed il
positrone perdono energia per radiazione di frenamento (bremstrahlung) sotto forma di fotoni ma il
positrone può anche annichilarsi con un elettrone del materiale e originare così una coppia di fotoni;
per ciascuno dei fotoni così prodotti, il processo di produzione e- e+ ricomincia con la conseguente
produzione della cascata che si esaurisce, dopo aver raggiunto un massimo, quando l’energia dei
singoli componenti la cascata diventa inferiore alla soglia di produzione di coppie. Questo processo
è utilizzato in pratica per misurare l’energia dei raggi gamma fino ai valori più alti registrati nei
raggi cosmici di circa 1020 eV!
In realtà, oltre ai processi dovuti allo scambio di fotoni (virtuali!), con il crescere dell’energia,
diventano importanti altri aspetti, caratteristici della interazione elettrodebole, dovuti alla possibilità
di scambio, con specifiche regole di selezione, dei cosiddetti mesoni intermedi W+, W- e Z0. Il loro
studio sperimentale è stato condotto essenzialmente in due modi.
Nel primo caso sono stati prodotti fasci di elevata intensità di positroni o di antiprotoni
utilizzando acceleratori di elettroni o di protoni. Successivamente tali fasci sono stati “raffreddati in
modo da aumentarne la densità ed infine accelerati, introdotti in anelli di accumulazione ed infine
fatti collidere rispettivamente con elettroni o protoni.
Con questo tipo di approccio è stato possibile rendere sperimentalmente molto solide le basi
della Teoria Standard, mediante in particolare la scoperta dei mesoni W e Z0 in collisioni protone –
antiprotone e con tutta una serie di misure sistematiche di alta precisione dei prodotti delle
annichilazioni elettrone – positrone, in anelli di accumulazione con energia dei fasci da alcune
centinaia di MeV fino ad oltre 100 GeV. In effetti con l’eccezione delle coppie t-quark t-antiquark,
di massa circa 170 GeV, scoperte in collisioni protone-antiprotone al FERMILAB, tutte le possibili
coppie particella-antiparticella sono state prodotte e studiate in dettaglio a macchine elettronepositrone, la cui idea originale risale a Bruno Touscek ed ai Laboratori Nazionali di Frascati negli
anni sessanta.
A testimonianza della importanza di questo tipo di ricerche è il fatto che, mentre al CERN sta
per entrare in funzione l’anello a collisioni protone-protone LHC, di energia ed intensità di gran
lunga superiore ad ogni acceleratore presedente, il progetto più ambizioso per la macchina
acceleratrice del futuro, a lungo termine ed a livello mondiale, è per collisioni elettrone-positrone ad
energie pari almeno al TeV, mentre per il futuro più prossimo si parla di una macchina e- e+ ad
altissima intensità mirata allo studio della violazione CP nei mesoni di tipo b.
L’altro approccio sperimentale, adottato per alcune fra le più significative ricerche riguardo alle
proprietà relative della materia e dell’antimateria, è stato quello di produrre direttamente, in
collisioni fra protoni di alta energia e nuclei, fasci di mesoni che sono di per sé costituiti da coppie
di quark-antiquark. Come ci si può aspettare si tratta di particelle a breve vita media, che si
disintegrano in altre, compatibilmente con la conservazione dell’energia, a causa della interazione
ed annichilazione elettrodebole fra i componenti. Lo studio della evoluzione temporale di questi
mesoni e delle caratteristiche dei loro decadimenti ha permesso in particolare di mettere in evidenza
le proprietà di simmetria rispetto a CP, e la sua violazione, fra quark ed antiquark.
APPLICAZIONI
In aggiunta alla straordinaria rilevanza scientifica nel campo delle interazioni fondamentali e
della astrofisica e cosmologia, il concetto di antimateria e lo studio comparativo delle proprietà
materia-antimateria, ha originato anche risultati pratici con applicazioni che hanno permesso fra
l’altro la costruzione di strumenti con proprietà insostituibili in altri campi di ricerca, in particolare
la neurofisiologia e la diagnostica medica.
Si tratta specificamente della cosiddetta PER o TOMOGRAFIA A EMISSIONE DI
POSITRONI.
Nella tomografia computerizzata a Raggi X, o TAC, attorno alla zona, di cui è richiesta la
ricostruzione bidimensionale della densità spaziale della distribuzione di materia, viene fatta ruotare
su una circonferenza concentrica una sorgente collimata di raggi X e nel punto diametralmente
opposto un rivelatore. Dai valori misurati istante per istante della intensità dei Raggi X trasmessi,
con l’ausilio di opportuni algoritmi matematici, viene ricostruita l’immagine bidimensionale con
risoluzione spaziale dell’ordine del millimetro. Un insieme di sezioni vicine l’una all’altra lungo la
direzione ortogonale al piano delle sezioni stesse consente poi di avere un’immagine
tridimensionale molto dettagliata.
Nel caso della PET viene sfruttata la proprietà che, a causa dela conservazione dell’energia e
dell’impulso, nella annichilazione elettrone positrone a riposo vengono emessi in direzione opposta
e contemporaneamente due raggi gamma, ciascuno di energia pari alla energia di riposo di ciascuno,
cioè 0,511 MeV. L’organo da esaminare viene posto al centro di un rivelatore cilindrico costituito
da tanti cristalli rivelatori dei raggi gamma. Tenendo conto della posizione di ogni coppia di cristalli
i cui segnali sono rivelati in coincidenza temporale, e di nuovo utilizzando opportuni algoritmi
computerizzati, si ricostruisce la distribuzione tridimensionale della densità di annichilazioni.
I positroni sono prodotti a bassa energia dal decadimento, cosiddetto beta-positivo, di particolari
isotopi, ad esempio il Fluoro 18, che ha una breve vita media (circa 6 ore) e viene prodotto
utilizzando protoni o deutoni con energia di alcuni MeV accelerati in un ciclotrone commerciale. Il
Fluoro 18 è poi introdotto per sostituzione chimica in una sostanza (il Fluoro-deossiglucosio) che,
dopo iniezione endovenosa, viene assorbita preferenzialmente in funzione della attività glucidometabolica locale.
L’immagine che si ottiene, a differenza della TAC, che distingue le differenti parti in base alla
loro opacità ai raggi X, mostra la distribuzione del grado di attività metabolica, che può essere
particolarmente alta ad esempio nel caso di cellule che si moltiplicano rapidamente oppure, in
particolare per quanto riguarda il sistema nervoso centrale, può variare in funzione della presenza di
stimoli che ne attivano preferenzialmente una parte piuttosto di un'altra.
In effetti, alla combinazione dell’uso di TAC e PET si deve, oltre che un importante contributo
diagnostico per i tumori, buona parte dei progressi recenti in molti aspetti della ricerca sulla
funzionalità del cervello.
Nel futuro è anche prevedibile l’utilizzazione di fasci di antiprotoni per uso terapeutico, in casi
specifici di tumori per i quali sia di particolare importanza la capacità di concentrare in un volume
ben localizzato una massima deposizione di energia sotto forma di ionizzazione, capace di
distruggere le cellule presenti.
Tutto quanto esposto è uno straordinario “bonus”, sicurament non prevedibile da Paul Dirac,
Socio straniero 1958 dell’Accademia dei Lincei, nel momento si è trovato – in un certo senso –
costretto ad inventare il concetto di antimateria per pura coerenza con la forma dell’equazione
quantistica – relativistica dell’elettrone che aveva scoperto!