Cos'è l'antimateria?
Oggetti dell'Universo: galassie, stelle, quasar, pianeti, supernovae, animali e persone
Sulla base dei dati ad oggi disponibili, nci sono antigalassie, anti-stelle o altri grandi oggetti di antimateria. E questo è molto strano: secondo la teoria del Big Bang, al momento della nascita del nostro Universo appariva la stessa quantità di materia e antimateria, e non è chiaro dove andasse quest'ultima. Attualmente, ci sono due spiegazioni per questo fenomeno: o l'antimateria è scomparsa immediatamente dopo l'esplosione, oppure esiste in alcune parti distanti dell'universo, e semplicemente non l'abbiamo ancora scoperta. Questa asimmetria è uno dei più importanti problemi irrisolti nella fisica moderna.
Antimateria - materia composta da antiparticelle -"Riflessioni speculari" di un certo numero di particelle elementari che hanno lo stesso spin e massa, ma differiscono tra loro nei segni di tutte le altre caratteristiche di interazione: carica elettrica e di colore, numeri quantici barionici e leptonici. Alcune particelle, ad esempio un fotone, non hanno antiparticelle o, che è la stessa cosa, sono antiparticelle in relazione a se stesse.
Si ritiene oggi che le antiparticelle reagiscanole forze fondamentali che determinano la struttura della materia (forte interazione, formazione di nuclei ed elettromagnetica, formazione di atomi e molecole), sono esattamente le stesse, quindi la struttura dell'antimateria dovrebbe essere la stessa della struttura della materia "normale".
Cosa significa il prefisso “anti”?
Di solito usiamo questo prefisso perdesignare il fenomeno opposto. Per quanto riguarda l'antimateria, include analoghi di particelle elementari che hanno carica opposta, momento magnetico e alcune altre caratteristiche. Naturalmente, tutte le proprietà di una particella non possono essere invertite. Ad esempio, massa e durata devono sempre rimanere positive, concentrandosi su di esse, le particelle possono essere attribuite a una categoria (ad esempio, protoni o neutroni).
Se confrontiamo un protone e un antiprotone, allora alcunile loro caratteristiche sono le stesse: la massa di entrambi è 938.2719 (98) megaelettronvolt, spin ½. Ma la carica elettrica del protone è 1 e l'antiprotone ha meno 1, il numero barionico (che determina il numero di particelle fortemente interagenti costituite da tre quark) è 1 e meno 1, rispettivamente.
Alcune particelle, come il bosone di Higgs e il fotone, non hanno antianaloghi e sono chiamate veri neutri.
La maggior parte delle antiparticelle insieme alle particellecompaiono in un processo chiamato “nascita della coppia”. Per formare una tale coppia è necessaria un'elevata energia, cioè un'enorme velocità. In natura, le antiparticelle si formano quando i raggi cosmici entrano in collisione con l'atmosfera terrestre, all'interno di stelle massicce, vicino a pulsar e nuclei galattici attivi. A questo scopo gli scienziati utilizzano anche acceleratori di collisione.
Dove viene "estratta" e immagazzinata l'antimateria?
L'antimateria viene estratta nel Grande Adronecollisore, raccogliendo nubi di antiprotoni dopo che un fascio di protoni si scontra con un bersaglio metallico e rallentando attentamente le particelle volanti in modo che possano essere utilizzate in esperimenti successivi.
Autore: Maximilien Brice, CERN — Server documenti del CERN, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29068932
Particelle di antimateria cariche come i positronie gli antiprotoni possono essere immagazzinati nelle cosiddette trappole di Penning. Sono come minuscoli acceleratori di particelle. Al loro interno, le particelle si muovono a spirale mentre i campi magnetici ed elettrici impediscono loro di entrare in collisione con le pareti della trappola.
Tuttavia, le trappole di Penning non funzionanoparticelle neutre come l'antiidrogeno. Poiché non hanno carica, queste particelle non possono essere limitate ai campi elettrici. Sono intrappolati nelle trappole di Ioffe, che funzionano creando un'area di spazio in cui il campo magnetico diventa più ampio in tutte le direzioni. Le particelle di antimateria si bloccano nell'area con il campo magnetico più debole.
Il campo magnetico terrestre può fungere da trappola per l'antimateria. Gli antiprotoni sono stati trovati in alcune zone intorno alla Terra: le fasce di radiazione di Van Allen.
Perché l'antimateria è così difficile da ottenere?
È diventato anche chiaro che studiando questo misteriosola sostanza è molto più difficile da registrare. In natura non sono ancora state incontrate antiparticelle in uno stato stabile. Il problema è che la materia e l’antimateria al “contatto” si annichilano (si distruggono a vicenda). È del tutto possibile ottenere l'antimateria nei laboratori, anche se è abbastanza difficile contenerla. Finora gli scienziati sono riusciti a farlo solo in pochi minuti.
Il problema dello stoccaggio dell'antimateria è un vero mal di testadolore per i fisici, perché antiprotoni e positroni si annientano all'istante quando incontrano particelle di materia ordinaria. Per mantenerli, gli scienziati hanno dovuto inventare dispositivi astuti in grado di prevenire una catastrofe. Le antiparticelle cariche sono immagazzinate nella cosiddetta trappola di Penning, che assomiglia a un acceleratore in miniatura. Il suo potente campo magnetico ed elettrico impedisce ai positroni e agli antiprotoni di entrare in collisione con le pareti del dispositivo. Tuttavia, un tale dispositivo non funziona con oggetti neutri come l'atomo di antiidrogeno. Per questo caso è stata sviluppata la trappola Ioffe. La ritenzione di antiatomi in esso si verifica a causa del campo magnetico.
Di cosa è capace l'antimateria?
Solo una manciata di antimateria può produrreun'enorme quantità di energia. Questo lo rende un carburante popolare per i veicoli futuristici di fantascienza. In generale, un motore a razzo ad antimateria è ipoteticamente possibile; il limite principale è l'accumulo di una quantità sufficiente di antimateria per utilizzarlo.
A proposito, l'energia di 1 milligrammo di antimateria è sufficiente per volare su Marte.
Al momento non sono disponibili tecnologie perмассового производства или сбора антивещества в объеме, необходимом для этого приложения. Однако небольшое количество ученых провели исследования по моделированию движения и хранения. К ним относятся Ронан Кин и Вэй-Мин Чжан, которые работали в Западной резервной академии и Кентском государственном университете соответственно, а также Марк Вебер и его коллеги из Вашингтонского государственного университета. Когда-нибудь, если мы сможем найти способ создать или собрать большое количество антивещества, их исследования могут помочь воплотить в реальность межзвездные путешествия с использованием антивещества.
Perché ancora non utilizziamo questa fonte di energia?
L'annientamento dell'antimateria e della materia sìrilascia un'enorme quantità di energia. Un grammo di antimateria può causare un'esplosione delle dimensioni di una bomba nucleare. Tuttavia, gli esseri umani hanno prodotto pochissima antimateria.
L'inefficienza della produzione di antimateria è enorme.Tenendo conto del costo per ottenere l'antimateria, è possibile recuperare solo un decimo di miliardo (10-10) dell'energia investita. Se gli scienziati potessero raccogliere tutta l'antimateria che abbiamo mai prodotto al CERN e annientarla con la materia, allora ci sarebbe solo energia sufficiente per accendere una lampadina per pochi minuti.
Tutti gli antiprotoni creati in un acceleratore di particelleIl Tevatron al Fermilab è di soli 15 nanogrammi. Quelli prodotti al CERN sono circa 1 nanogramma. Ad oggi, DESY in Germania ha prodotto circa 2 nanogrammi di positroni.
Se tutta l'antimateria mai prodotta dagli esseri umani venisse distrutta in una volta, l'energia prodotta non sarebbe nemmeno sufficiente per far bollire una tazza di tè.
Il problema è l'efficienza e il costoproduzione e stoccaggio di antimateria. La produzione di 1 grammo di antimateria richiederà circa 25 milioni di miliardi di chilowattora di energia e oltre un milione di miliardi di dollari.
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