venerdì 11 settembre 2015

Ma l'antimateria cade all'ingiù o all'insù?

Per come la vedo io, questo dovrebbe essere un post del tipo "io ve la butto là, magari la cosa vi incuriosisce". Anche se, dopotutto, questo è proprio lo scopo di tutti i post di questo blog. Vabbè, comunque.
Dunque, un post come questo, con una domanda all'apparenza così bizzarra come titolo, deve per forza di cose iniziare con un paio di parole sull'antimateria, diciamo una piccola nota storica, ecco.

Una piccola nota storica

Direi che possiamo cominciare con il buon Paul Dirac che nel 1928 scrisse un articolo in cui faceva un po' di conti con una versione relativistica dell'equazione di Schrodinger per un elettrone e, sostanzialmente, trovò che anche l'anti-elettrone é soluzione dell'equazione. Per anti-elettrone si intende una particella uguale all'elettrone ma con carica opposta (e altre proprietà opposte ma che per ora lasciamo perdere).
Tutto qui, soluzione di un'equazione. Il punto è che le equazioni erano giuste e infatti qualche anno dopo l'anti-elettrone, poi rinominato positrone fu scoperto da Carl D. Anderson nel 1932 (e Anderson vinse il premio Nobel per la fisica nel 1936: meritato, direi).
Un altro premio Nobel meritato fu dato all'italiano Emilio Segrè il quale trovò invece l'anti-protone, ovvero quella particella che ha la stessa massa del protone ma carica elettrica di segno opposto. E siamo nel 1955: il Nobel, assegnato qualche anno dopo nel 1959, fu vinto quell'anno anche da Owen Chamberlain, collega di Segrè a Berkeley in California.
L'anno successivo (1956) fu trovato anche l'anti-neutrone da Bruce Cork (tra l'altro di nuovo a Berkeley).

Così arriviamo ai (meravigliosi) anni '90 quando il CERN produce il primo atomo di anti-idrogeno. Precisamente correva l'anno 1995.
Nel 2011, invece, avviene una gioia da 17 minuti: per tale lasso di tempo, a Ginevra erano riusciti ad intrappolare alcune centinaia di atomi di anti-idrogeno.

Eh, sapete, non è facile conservare l'antimateria. Non potete metterla in frigo come una carbonara qualsiasi avanzata dal pranzo né congelarla come dei bastoncini di verdure. Ma neanche metterla in un barattolo come la passata di pomodoro, sia chiaro. Infatti, quando l'antimateria incontra la materia avviene un bel puff!, cioè da questo incontro spericolato nasce un fotone. Tecnicamente, ciò viene chiamato annichilazione.

Vengono fuori dalle pareti..ehm, dal Big Bang

Ora, un'altra cosa che potreste chiedervi è: ma perché abbiamo tutta questa materia e invece l'antimateria é pochissima e inoltre elusiva?
Voglio dire, la Luna, il Sole, i pianeti, la Galassia sono tutti fatti di materia. Siamo sicuri? Beh, sulla Luna siamo andati e non c'é stata annichilazione, giusto per fare un esempio. E così per gli altri pianeti o per le particelle che ci arrivano dal Sole e dal resto della Galassia. Praticamente proprio all'inizio dell'universo deve esserci stata una asimmetria tra il numero di particelle di materia e quelle di antimateria. Una asimmetria piccolissima, ma comunque sufficiente a farci osservare l'universo come lo vediamo oggi: pieno di materia.
Perché c'era questa asimmetria materia/antimateria? Allora, se doveste trovare la risposta sarebbe cosa buona e giusta scrivere un bell'articolo scientifico così da spiegarlo a tutti. Perché al momento nessuno lo sa, si tratta di uno dei grandi interrogativi della fisica.

All'ingiù, all'insù o magari al ragù?

Ma ora, detto tutto ciò, torniamo alla domanda che fa da titolo a questo post. Lo so, sembra ancora una domanda bizzarra, vero? Del resto abbiamo capito che l'antimateria ha alcune proprietà opposte a quella della materia e magari chissà, per un qualche meccanismo fisico a noi sconosciuto, essa si comporta in una maniera davvero peculiare.
Anche se, però, la massa delle particelle di antimateria resta la stessa delle rispettive controparti di materia e la gravità, si sa, agisce sui corpi massivi proprio a seconda della massa che hanno.
E quindi, alla fine sembrerebbe che esattamente come la gravità spinge giù la materia, analogamente farà con l'antimateria in una maniera che più noiosa (ma allo stesso tempo affascinante, perché ancora non ne siamo sicuri!) non si può.

Dunque, ve lo dico subito: in realtà un esperimento del genere, di galileiana memoria, tipo buttare giù da una torre materia e antimateria, non è stato ancora fatto. E potete capire perché, vista la difficoltà ad intrappolare l'antimateria per un periodo prolungato.
Tutto ciò che abbiamo detto finora è ben rappresentato da un video molto carino che ho trovato su YouTube e che potete vedere qui di seguito (ci sono i sottotitoli in italiano):



Nell'attesa che i fisici del CERN riescano a fare l'esperimento in questione, possiamo vedere cosa ci aspettiamo dal punto di vista teorico. Notare che "teorico" non vuol dire che le cose dovrebbero andare per forza così, anzi. Solo la prova sperimentale ci saprà dire la verità sul comportamento gravitazionale dell'antimateria.
Tuttavia, come ho detto, possiamo provare ad usare la teoria per fare qualche previsione (poi se sarà sbagliata pazienza).

E allora facciamo un esempio

Prendiamo una particella di materia (un elettrone, per esempio) e una di antimateria (a questo punto il positrone). Facciamo due fondamentali assunzioni nemmeno troppo scabrose: primo, l'energia viene conservata; secondo, le costanti come la velocità della luce e le masse a riposo dell'elettrone e del suo alter-ego positrone non variano se misurate in cima alla torre o a terra.
Poi agiamo così: facciamo annichilare la coppia elettrone-positrone in modo da produrre un fotone con una certa sua propria lunghezza d'onda e poi inviamo tale fotone verso la base della torre dove una nostra amica sarà pronta a rivelarlo.
A questo punto abbiamo che l'energia del sistema elettrone-positrone prima dell'annichilazione sarà uguale a quella del fotone prodotto. E fin qua tutto bene.

Il fotone dunque arriva alla nostra amica. Ma attenzione: siccome il fotone viaggia verso la superficie terrestre, si muove verso una regione dove il campo gravitazionale è più forte (infatti, per esempio, la gravità che sentiamo a livello del mare è leggermente maggiore di quella che si sente in altissima montagna). Cosa comporta tutto ciò? Comporta che la nostra amica vedrà il fotone con un'energia maggiore, il che vuol dire con una frequenza maggiore (o una lunghezza d'onda minore). In pratica è come se il fotone (o l'onda elettromagnetica, che é la stessa cosa) venisse compressa (al contrario quando un fotone viene inviato fuori da un campo gravitazionale abbiamo l'effetto opposto, uno stiramento dell'onda elettromagnetica cioè una frequenza più bassa come risultato).
Perciò la nostra amica vede questo fotone più energetico, lo acchiappa e poi riesce a ricavarne di nuovo la coppia elettrone-positrone. Un momento, ma avremo sicuramente dell'energia in più a questo punto? Ebbene sì. E cosa ne facciamo di questa energia? La utilizziamo per inviare di nuovo la coppia elettrone-positrone di nuovo alla sommità della torre. Inoltre, l'energia in eccesso deve essere proprio quella necessaria a riportare la coppia elettrone-positrone a casa, proprio in virtù della conservazione dell'energia.

Ma alla fine, cosa ci portiamo a casa da questo esempio? Ci portiamo delle belle equazioni e, precisamente, troviamo un'equazione che lega l'accelerazione di gravità dell'elettrone (quindi della materia) con quella del positrone (quindi dell'antimateria) e con "l'accelerazione" del fotone. Metto le virgolette quando parlo del fotone perché quest'ultimo é senza massa e quindi per "accelerazione" si intende proprio l'effetto che subisce un fotone di cui abbiamo parlato dovuto alla presenza di un campo gravitazionale.

Facendo un apparente strappo alla regola di questo blog, l'equazione in questione dice, a parole, che:
L'accelerazione di gravità della materia più quella dell'antimateria è uguale al doppio della "accelerazione" di gravità del fotone. 

Ora, la teoria della Relatività Generale predice che accelerazione di gravità della materia e del fotone sono uguali, cioè materia e luce sentono la gravità di un corpo massivo alla stessa maniera.
Con gli esperimenti, ovviamente, non misureremo mai una cosa del genere perché avremo sempre degli errori statistici e non da includere. Tuttavia, sperimentalmente abbiamo che le due quantità differiscono meno dello 0.02% e di conseguenza ciò vuol dire che accelerazione di gravità della materia e dell'antimateria potrebbero differire al massimo dello 0.04% (a causa di quel fattore 2 che abbiamo menzionato prima nell'equazione).

Insomma, per farla breve e lasciando perdere i tecnicismi (che però sono il sale della fisica), teoricamente ci aspettiamo che l'antimateria cade all'ingiù più o meno come la materia e tanti bravi scienziati e brave scienziate sono all'opera per misurare questa cosa e vedere se é vero.

Ma tranquilli, ne sentiremo ancora parlare di questa storia. Potete starne certi.
Because it's f****** awesome!

============================================================

[NOTA: Tutti quelle percentuali sulle accelerazioni di gravità non sono state partorite dalla mia fervida immaginazione ma sono descritte su questo sito, dove ho preso spunto per questo post e dove potete trovare anche altre referenze qualora vi andasse di approfondire la questione.]