In fisica, lantimateria è la materia costituita da antiparticelle, corrispondenti per massa alle particelle della materia ordinaria, ma aventi alcuni numeri quantici, come ad esempio la carica elettrica, di segno opposto. Le leggi che governano le combinazioni di antiparticelle a formare gli antielementi (o antiatomi) e le antimolecole sono simmetriche a quelle che governano la materia.
Quando una particella e un'antiparticella vengono a contatto si assiste al fenomeno dell'annichilazione, ovvero si ha la trasformazione della materia coinvolta in radiazione elettromagnetica sotto forma di fotoni ad alta energia (raggi gamma), oppure in altre coppie di particelle-antiparticelle, tali che la somma dell'energia totale, precedente e seguente l'evento, rimanga in ogni caso costante, in accordo al principio di conservazione della massa-energia. In determinate condizioni particelle e antiparticelle possono originare per tempi brevissimi particelle instabili, come i mesoni, o un atomo esotico, come il positronio.
Sebbene si ritenga che in origine materia e antimateria si equivalessero, nell'universo attuale è rilevabile antimateria in quantità esigua, prodotta in decadimenti radioattivi o tramite interazioni tra particelle (ad esempio nelle reazioni nucleari, nell'interazione dei raggi cosmici con i componenti delle molecole presenti in atmosfera o in interazioni prodotte da acceleratori di particelle), in tempi brevissimi annichilata dalla materia. La ragione che ha portato alla prevalenza della materia è oggetto di attivo studio.
Storia
Il termine antimateria fu usato per la prima volta nel 1898 da Arthur Schuster in due lettere inviate alla rivista Nature, nelle quali speculava sulla possibile esistenza di un sistema solare costituito di antimateria in cui anche la gravità era di segno opposto, cioè repulsiva.
La prima serie di ipotesi dell'esistenza dell'antimateria fu nel 1928 da parte del fisico Paul Dirac, che dedusse l'esistenza dell'antiparticella dell'elettrone, dotata di carica positiva, quale soluzione della versione relativistica dell'equazione di Schrödinger, detta appunto equazione di Dirac. Nel 1932 Carl David Anderson diede la conferma sperimentale dell'esistenza dell'antielettrone e lo chiamò positrone, contrazione di "positive electron". Charles Janet nel 1929 immaginò addirittura una tavola periodica degli elementi costituita di antimateria.
Nel 1955 i fisici Emilio Segrè e Owen Chamberlain scoprirono l'antiprotone al Bevatron e nel 1959 ricevettero il premio Nobel per la fisica grazie a questa scoperta. L'anno successivo al Bevatron veniva scoperto anche l'antineutrone, dal gruppo guidato da Oreste Piccioni.
Nel 1965, al CERN di Ginevra con l'acceleratore di particelle PS (Proton Synchrotron), il gruppo di ricerca condotto da Antonino Zichichi produsse il primo nucleo di antideuterio
, contemporaneamente al Brookhaven National Laboratory a New York con l'AGS (Alternating Gradient Synchrotron).
Nel 1978 ricercatori italiani e francesi guidati da Giorgio Giacomelli, professore all’Università degli Studi di Bologna, scoprirono nuclei di antitrizio (un antiprotone e due antineutroni) e di antielio 3 (due antiprotoni e un antineutrone). Con l'acceleratore di Serpukhov scienziati russi ottennero risultati analoghi.
Nel 1980 fu ottenuta la prima dimostrazione delle proprietà ondulatorie dell'antimateria per mezzo di diffrazione di positroni.
Nel 1997 al CERN ricercatori svizzeri, italiani, inglesi, danesi, giapponesi e brasiliani, nell'ambito della collaborazione ATHENA (ApparaTus for High precision Experiments with Neutral Antimatter; in italiano: apparato per esperimenti di alta precisione con antimateria neutra), crearono i primi atomi di anti-idrogeno, in numero di circa 50.000. La stessa collaborazione riuscì a sintetizzare il protonio, un atomo instabile composto da un protone e da un antiprotone.
Il 17 novembre 2010 nel corso dell'esperimento ALPHA, i ricercatori del CERN di Ginevra imprigionarono per la prima volta 38 atomi di anti-idrogeno per alcuni decimi di secondo.
Nel 2011 il più grande nucleo (anti-elio 4, particella alfa) di antimateria mai catturato al mondo venne imprigionato nei Brookhaven National Laboratory.
Il 4 giugno 2011, sempre nel corso dell'esperimento ALPHA, i ricercatori del CERN riuscirono a creare e intrappolare circa 300 atomi di anti-idrogeno per il tempo record di 1.000 secondi (oltre 16 minuti): 5.000 volte più a lungo rispetto al tempo ottenuto dallo stesso esperimento a novembre.
Nel 2011 tramite il satellite Fermi Gamma-ray Space Telescope, la NASA ha rilevato che in alcuni temporali tropicali al di sopra di 15 km dalla superficie terrestre, il flusso di elettroni, scontrandosi con le molecole dell'aria, produce raggi gamma (i cosiddetti Terrestrial Gamma Ray Flash) che scontrandosi a loro volta con gli elettroni dell'atmosfera producono piccole quantità di positroni.
Nel gennaio 2014 al CERN, l'esperimento ASACUSA è riuscito a produrre il primo fascio di anti-idrogeno e successivamente è riuscito a identificare 80 atomi a 2,7 metri di distanza dal punto di produzione.
Nel 2018 è stato ottenuto il primo esperimento di interferometria quantistica di antimateria dal gruppo guidato da Marco Giammarchi al Laboratorio Positroni (L-NESS, Como)Laboratorio Positroni a carico di Rafael Ferragut del Politecnico di Milano.
Nel settembre 2023 un gruppo internazionale guidato da E. K. Anderson, dell’Università di Aarhus in Danimarca, ha dimostrato con un lavoro pubblicato su Nature che anche l’antimateria cade verso il basso: è stato utilizzato l'apparato dell'esperimento Alpha-g del CERN. I ricercatori hanno usato migliaia di atomi di anti-idrogeno, composti da un anti-protone e un anti-elettrone, e quindi elettricamente neutri. Gli atomi sono stati confinati in un campo magnetico, a temperature molto basse, 0,5 Kelvin. Poi hanno gradualmente indebolito il campo magnetico nella direzione verticale. Per il moto casuale dovuto all’agitazione termica alcuni atomi sono saliti verso l’alto; ma la maggior parte è scesa verso il basso. In questo modo si è dimostrato che anche l’antimateria è attratta dalla gravità come la materia ordinaria.Andersson, E. K.; Baker, C. J.; Bertsche, W.; Bhatt, N. M. (September 27, 2023). "Observation of the effect of gravity on the motion of antimatter". Nature. 621 (7980): 716–722 Risulta pertanto confutata l’ipotesi di una gravità inversa di Arthur Schuster, datata 1898, esposta nel paragrafo "Esistenza dell'antimateria" che segue.
Produzione dell'antimateria In fisica delle particelle il processo di produzione di coppia o creazione di coppia elettrone-positrone è una reazione in cui un raggio gamma interagisce con la materia convertendo la sua energia in materia e antimateria. Se un fotone gamma altamente energetico (ci vuole un'energia notevole per generare la materia, in base alla legge di Einstein di conversione tra materia ed energia, E = mc²) va a impattare contro un bersaglio, subisce un urto anelastico materializzando la propria energia, e producendo una coppia di particelle composta da un elettrone (materia) e un positrone (antimateria).
Differenze tra materia e antimateria
Le particelle e le antiparticelle vengono descritte da un unico oggetto matematico, cioè un campo quantizzato. L'unione tra relatività ristretta e meccanica quantistica porta necessariamente alla distinzione di componenti ad energia positiva e negativa per il campo. Una volta quantizzato il campo (le tecniche per procedere alla quantizzazione vanno sotto il nome generico di seconda quantizzazione) l'energia e la quantità di moto dei campi è data, rispettivamente, dalla somma delle energie, o delle quantità di moto, delle particelle e delle antiparticelle del sistema, nel modo seguente:
dove abbiamo indicato con l'energia del campo, con il suo impulso e con e , rispettivamente, gli operatori che forniscono il numero di particelle e antiparticelle con impulso . Analogamente la carica del campo è proporzionale alla differenza degli operatori numero: se una particella ha una certa carica, la sua antiparticella ha la carica di segno opposto. Per esempio, i leptoni carichi (elettroni, muoni e tau) hanno una carica negativa pari a -e, mentre le loro antiparticelle (positroni, antimuoni e antitau) hanno carica +e.
Come si vede, matematicamente non c'è alcuna differenza tra particelle e antiparticelle, a parte il segno della carica, che è però convenzionale, quindi un universo costituito di antiprotoni, antineutroni e positroni sarebbe comunque stabile. Uno dei problemi irrisolti della cosmologia è giustificare il fatto che l'universo sia composto per la maggior parte di particelle: naturalmente il nome "particella" e "antiparticella" è puramente convenzionale, quindi in realtà la domanda si formula meglio domandando il motivo per cui sono presenti decisamente più particelle "di un tipo" piuttosto che "dell'altro". Questo può essere giustificato dal fatto che alcuni "anti-atomi" hanno una vita relativamente più breve rispetto a quella degli atomi.
Esistenza dell'antimateria L'antimateria prodotta naturalmente in piccolissimi quantitativi nei processi astronomici più energetici (i "raggi cosmici" che giungono in ogni istante anche sulla Terra) o prodotta nei laboratori di fisica delle particelle ha vita breve e non può essere immagazzinata per tempi significativi, in quanto si annichila al primo contatto con la materia. Questo processo accade in ogni istante quando l'antimateria proveniente dai raggi cosmici collide con le molecole dell'atmosfera terrestre. Il processo in questione ha una efficienza del 100% e libera fotoni di altissima energia, cioè raggi gamma. Contenitori magnetici specifici hanno permesso di conservare alcune antiparticelle portandone quasi allo zero assoluto la temperatura, ciò che ne "ferma" il moto mantenendole anche per minuti o ore. In base alle attuali conoscenze, non esistono quantità significative di antimateria in tutto l'universo.
Big Bang e annichilazione Secondo la teoria del Big Bang, nell'universo iniziale materia e antimateria avrebbero dovuto essere presenti in proporzioni uguali e di conseguenza dare luogo a un immediato processo di annichilazione che avrebbe fatto scomparire l'intero universo neoformato. Poiché questo non corrisponde alla realtà che osserviamo, si ritiene che un leggero squilibrio in favore della materia (forse causato da una violazione della simmetria CP) abbia fatto sì che quest'ultima non venisse completamente annichilata, rendendo possibile la formazione dell'universo in cui viviamo attraverso il processo della bariogenesi. Nuovi e più dettagliati sviluppi su questi aspetti, che coinvolgono le alte energie in gioco nei primi istanti dell'universo primordiale, sono attesi dagli esperimenti programmati al Large Hadron Collider del CERN di Ginevra.
Ipotesi della gravità inversa
Nel mondo scientifico si ritiene possibile anche un'altra ipotesi: la gravità inversa. Secondo alcune teorie la quantità di materia e di antimateria prodotta all'origine dell'universo era perfettamente bilanciata, ma la materia e l'antimateria presto si allontanarono a causa di una sorta di “repulsione gravitazionale” Open Access.