Premetto che conosco l'argomento, ma non sarei in grado di descriverlo meglio di così:
Ogni oggetto che ci circonda è fatto di materia. Ma se ogni cosa è di materia, che cosa è allora l'antimateria?
Per avere la risposta bisogna tornare indietro nel tempo fino agli anni '30.
Nel 1928 Dirac formulò una teoria per il moto degli elettroni in campi elettrici e magnetici, includendo sia effetti quantistici che effetti relativistici.
Questa teoria, in grado di descrivere i risultati delle misure sperimentali in modo eccezionalmente preciso, portò anche ad una sorprendente previsione.
L'elettrone doveva avere una "antiparticella" con stessa massa ma carica elettrica opposta a quella negativa di un normale elettrone.
La previsione di Dirac trovò conferma sperimentale nel 1932.
Oggi sappiamo che tutte le particelle con momento angolare intrinseco (spin) semi-intero, devono avere un'antiparticella. Mentre la massa di particelle e antiparticelle è identica, altre proprietà sono caratterizzate da valori che hanno segno matematico opposto. Ad es. l'antiprotone ha la stessa massa del protone ma carica elettrica opposta (la carica del protone è positiva, quella dell'antiprotone è negativa).
Anche alle particelle elettricamente neutre, come il neutrone, corrispondono antiparticelle. Esse possiedono proprietà, con segno cambiato, differenti dalla carica elettrica, ad es., il momento magnetico intrinseco.
Quando materia e antimateria si incontrano diventano energia.
L'inizio del ventesimo secolo fu, per la fisica, un periodo particolarmente vivace.
Nel 1905 Albert Einstein propose la teoria della relatività ristretta e negli anni '20 i fisici tedeschi Erwin Schrödinger e Werner Heisenberg inventarono la teoria quantistica della fisica. Ma la loro teoria non era relativistica.
Nel 1928 il fisico inglese Paul Dirac risolse il problema proponendo un'equazione che combinava la teoria quantistica con la relatività speciale.
Questa equazione sembrava però presentare un grave problema. Essa prevedeva un elettrone con energia positiva ed uno con energia negativa. Ma nella teoria classica l'energia di una particella deve essere sempre un numero positivo! Allo scopo postulò che tutti gli stati ad energia negativa fossero occupati, e che il passaggio dell'oggetto occupante uno di quegli stati ad uno stato di energia positiva si manifestasse come la "creazione" di una coppia particella (quella emersa) - antiparticella (il "buco" nato fra gli stati ad energia negativa).
Dirac successivamente, si pose il problema di che cosa potesse essere l'antiparticella dell'elettrone, e l'idea definitiva che si fece era che per ogni particella dovesse esistere una corrispondente antiparticella, con la stessa massa, ma con carica elettrica opposta. In particolare all'elettrone deve corrispondere un antielettrone, identico all'elettrone, ma con carica elettrica positiva. Nella sua lezione per il premio Nobel, Dirac speculò anche sulla possibile esistenza di un universo nuovo, un universo costituito di antimateria!
La fisica, però, è una scienza sperimentale e tutte le predizioni teoriche debbono passare al vaglio di esperimenti. In questo caso, ciò voleva dire che le antiparticelle dovevano essere osservate sperimentalmente.
Nel 1932 il fisico americano Carl David Anderson osservò nei raggi cosmici una particella che si comportava come un elettrone, ma che aveva carica positiva: aveva scoperto la prima antiparticella, l'antielettrone, chiamato anche positrone.
Per scoprire l'antiprotone, l'antiparticella del protone, fu necessario attendere l'avvento di potenti acceleratori di particelle che accelerano protoni o elettroni fino a raggiungere energie elevate. Negli anni '50 un acceleratore a Berkeley, in California, raggiunse energie sufficienti per produrre antiprotoni e antineutroni, che vennero osservati tramite sofisticati apparati.
Negli anni seguenti gli acceleratori del CERN di Ginevra e di Brookhaven negli USA permisero di produrre ed osservare l'antideutone, poi acceleratori ancora più potenti permisero di produrre ed osservare, a Serpukhov in Russia e al CERN di Ginevra, gli antinuclei antielio 3 e antitrizio.
Recentemente antiatomi di anti-idrogeno (anti-H = anti-p + e+) sono stati prodotti al CERN, decelerando antiprotoni e antielettroni tenendoli "imbottigliati" nel vuoto tramite campi magnetici. L'anti-idrogeno è più difficile da "imbottigliare" perché elettricamente neutro; la maggior parte degli antiidrogeni raggiunge una parete dove annichila con un atomo del mezzo.
L'idea dell'antimateria è un'idea così rivoluzionaria che per essere accettata dovette attendere molte verifiche sperimentali.
Oggi l'antimateria è usata ogni giorno in medicina per analizzare lo stato del cervello, tramite la tecnica chiamata Positron Emission Tomography (PET). La PET è un metodo di indagine che permette di misurare funzioni metaboliche e reazioni biochimiche in vivo ed ha larga applicazione nelle neuroscienze, in oncologia e cardiologia.
Nella PET i positroni provengono dal decadimento di nuclei radioattivi che vengono incorporati in un fluido speciale, iniettato poi per via endovenosa al paziente. I positroni emessi annichilano con gli elettroni degli atomi vicini e danno luogo a due raggi gamma emessi in direzioni opposte. Essi vengono rivelati tramite opportuni rivelatori, disposti in "anelli" attorno al paziente, per individuare e registrare i punti in cui si sono verificate le annichilazioni e quindi ricostruire dove si è distribuito il radiofarmaco nel corpo.
Raggi cosmici provengono dallo spazio esterno, da ogni direzione. Alcuni di essi passano attraverso il nostro corpo ogni secondo di ogni giorno, ovunque noi siamo. I raggi cosmici primari sono composti principalmente da protoni e nuclei di elio (e relativamente pochi nuclei più pesanti) di alta energia. Giungendo nell'alta atmosfera terrestre essi collidono con i nuclei atomici di azoto e ossigeno dell'aria. In molte collisioni l'energia ricompare come massa di nuove particelle e antiparticelle. I raggi cosmici sono così una sorgente naturale di antiparticelle e nel 1932 , studiandoli, Carl Anderson rivelò la prima antiparticella, il positrone.
Secondo la teoria del Big Bang l'Universo ha avuto origine circa 15 miliardi di anni fa da una grande esplosione che produsse materia ed antimateria in misura uguale.
Ma dov'è ora la controparte della materia che conosciamo? Perché oggi l'antimateria è così rara? Scoprire le radici di questa imperfezione cosmica è uno dei compiti fondamentali della moderna astrofisica, cosmologia ed anche della fisica fondamentale.
Si pensa che nell'Universo iniziale ci fossero particelle di materia ed di antimateria in uguali proporzioni. In continuazione particelle ad antiparticelle si annichilavano (disintegravano) in radiazioni e venivano ricreate in successive collisioni delle radiazioni. Nei primi attimi dell'Universo, il tutto era così compresso in piccole dimensioni, che perfino la luce non poteva allontanarsi e l'Universo era opaco.
Circa 10-34 secondi dopo il Big Bang, avvenne una transizione alla fine della quale si creò un piccolissimo eccesso di materia sull'antimateria: per ogni miliardo di antiparticelle si aveva un miliardo più una di particelle. Dopo questa transizione l'Universo continuava ad espandersi e la sua temperatura scendeva rapidamente. Dopo circa 10-5 s la temperatura era scesa così tanto da rendere impossibile la creazione di nuove coppie particella-antiparticella. Tutte le antiparticelle annichilavano in collisioni particella-antiparticella; restò solo quel relativamente piccolo numero di particelle in eccesso, che rese possibile lo sviluppo dell'attuale Universo; tutto il resto era scomparso in radiazione.
Il preciso meccanismo che ha permesso alla materia di sopravvivere non è ancora completamente compreso. Molti fisici delle particelle pensano che l'asimmetria fra materia e antimateria derivi da diversità nelle proprietà fisiche.
Il fisico teorico russo Andrei Sakharov postulò nel 1967 le condizioni per cui ciò potesse avvenire. Fra queste una richiedeva quella che tecnicamente è chiamata violazione di CP (Carica x Parità).
Dobbiamo comunque sottolineare che nonostante non si sia ancora rivelata la presenza di una certa quantità di antimateria nell'Universo, la possibilità che esista non può essere completamente esclusa.
Siamo veramente sicuri che non ci sia da qualche parte nell'Universo una certa quantità di antimateria, di antistelle e di antigalassie?
Negli ultimi 20 anni, usando strumenti sempre più sofisticati, sono stati compiuti enormi sforzi nella ricerca in questa direzione. Poiché, quando l'antimateria viene a contatto con la materia ordinaria si annichila producendo radiazione elettromagnetica (anche la luce è radiazione elettromagnetica), si è pensato di rivelare la presenza di antimateria nell'Universo tramite la radiazione prodotta nelle annichilazioni. La Fig. 1 mostra la collisione fra due galassie. Non si tratta di collisione di una galassia con un'antigalassia perché non si osserva una forte emissione di luce dalla zona di collisione.
Osservatori di raggi-gamma orbitanti fuori dall'atmosfera terrestre, in grado di rivelare fotoni nell'intervallo di energia corrispondente a quello atteso per l'annichilazione materia-antimateria, non hanno prodotto risultati positivi.
Una linea di ricerca alternativa, si prefigge di rivelare antinuclei nei raggi cosmici. Per evitare l'annichilazione degli antinuclei con i nuclei dell'atmosfera, gli strumenti devono essere installati su satelliti.
Due esperimenti si propongono di ricercare antimateria proveniente dallo spazio esterno.
PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics) opererà sul satellite russo Artica e ricercherà antinuclei di media energia.
Il rivelatore AMS (Alpha Magnetic Spectrometer), che verrà presto installato sulla Stazione Spaziale Internazionale, ricercherà antinuclei di media ed alta energia.
È da notare che si ritiene che i nuclei leggeri, quali protoni e nuclei di elio, siano stati prodotti nei primi attimi di vita dell'Universo. Invece i nuclei più pesanti, come il carbonio, ferro e tutti gli altri che troviamo qui sulla terra, sono stati "cucinati" all'interno delle stelle pesanti, che poi sono esplose e hanno sparso nello spazio circostante la loro materia. Questa materia è stata poi inglobata in una nube da cui è nato il sistema solare. Ne consegue che il trovare anche pochi antinuclei di anti-C o di anti-Fe (al limite uno solo) ci direbbe che esistono regioni dello spazio in cui si trovano antistelle.
Hai letto "Angeli e Demoni", per caso?!