• 28.02.2019
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Anna Soter vuole usare degli atomi esotici per un esperimento sofisticato

Materia e antimateria hanno lo stesso peso?

Anna Soter and her experiment at PSI. Photo: private
Immagine: CHIPP, Private
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Anna Soter and her experiment at PSI. Photo: private
Anna Soter and her experiment at PSI. Photo: private (Immagine: CHIPP, Private)

La forza di gravità ci accompagna in ogni momento della nostra giornata – dalla mattina, quando ci alziamo dal letto, fino a tardi la sera quando stanchi morti cadiamo sul materasso.
Sebbene nessuna altra forza condizioni le nostre vite tanto quanto la gravità, essa ci rimane quasi sconosciuta. Molti scienziati nel mondo stanno cercando di svelare i segreti della gravità. Uno di questi sta conducendo le sue ricerche nel cantone Argau: la 32enne fisica delle particelle Anna Soter.

Nel libro di Dan Brown ‘Angeli e Demoni’ un quarto di grammo di antimateria viene rubato dal CERN e nel finale esplode annichilandosi sopra Roma.

L’autore americano ha ampiamente arricchito la storia della società segreta degli ‘illuminati’, ma la sua storia ha un fondo di verità: l’antimateria esiste veramente, la sua esistenza fu provata nel 1932 quando Carl David Anderson scoprì l’anti-elettrone nei raggi cosmici. Gli antielettroni sono oggi usati in medicina – per esempio negli scanner PET per diagnosticare i tumori. Glia antielettroni furono prodotti per la prima volta e susseguentemente osservati nel 1955 negli esperimenti all’acceleratore del Lawrence Berkeley National Laboratory negli USA. Gli antielettroni si trovano naturalmente nella radiazione cosmica. Se gli antielettroni sono avvicinati ad antiprotoni, si può produrre antidrogeno; CERN è l’unico laboratorio al mondo in cui questo è possibile. La vita media dell’antimateria è esattamente uguale a quella della materia ordinaria, solo quando materia e antimateria sono messe insieme allora si annichilano.

Comunque, l’antimateria non ha certamente svelato tutti i suoi segreti. Per esempio, la domanda, a cui non si ha dato ancora risposta, se l’antimateria è sottoposta alla stessa forza gravitazionale della materia ordinaria. Quindi non sappiamo se una mela fatta di antimateria, se esistesse, cadrebbe al suolo nello stesso modo della famosa mela, grazie a cui, secondo la leggenda, Isaac Newton scoprì la legge della gravità. Gran parte dei fisici assume che materia e antimateria si comportano nello stesso modo. Questo fatto – i fisici parlano di ‘principio di equivalenza’ – è stato confermato in molti modi fino ad oggi: ma che questo principio sia valido in generale rimane, comunque, senza prova sperimentale. Antielettroni e antiprotoni sono elettricamente carichi, per questa ragione non è possibile misurare solo la loro interazione gravitazionale. La forza gravitazionale è troppo debole in confronto alla forza elettromagnetica da poter condurre un esperimento in modo affidabile. Gli atomi di antidrogeno sono invece neutri e quindi gli effetti dovuti alla gravità possono essere misurati accuratamente. Nello stesso modo, gli elettroni e gli antimuoni possono essere avvicinati in modo da creare il muonio neutro, sul quale è possibile misurare gli effetti gravitazionali. I muoni sono particelle elementari molto simili agli elettroni, sono però 200 volte più pesanti e hanno una vita media di 2.2 microsecondi. Gli antimuoni sono le antiparticelle dei muoni, entrambe sono naturalmente presenti nei raggi cosmici e possono anche essere generati artificialmente negli acceleratori di particelle. Il muonio – scoperto nel 1960 dal fisico americano Vernon Hughes – e’ composto perlopiù da antimateria.

Un fascio di antimateria

Questo sofisticato esperimento sarà presto possibile. Mentre si dice che Isaac Newton abbia visto la sua mela nella sua casa nella sua città natale inglese nel 1660, questo esperimento sarà fatto nel cantone Argau, più precisamente a Villgen, a nord di Brugg, dove sorge l’Istituto Paul Scherrer (PSI).

In principio, questo esperimento è semplice: i ricercatori producono un fascio orizzontale di antiparticelle e poi osservano se vengono spinte verso il basso dalla forza di Newton come fanno le gocce d’acqua che escono da un tubo per innaffiare il giardino.

«Nel mio progetto di ricerca sto cercando di valutare se questo esperimento per studiare la gravità è fattibile» dice Anna Soter. La ricercatrice è cresciuta in Ungheria, ha ottenuto il titolo di dottorato all’Università Ludwig-Maximilian di Monaco nel 2016 con una tesi al limite tra la fisica delle particelle e l’ottica quantistica. Nell’autunno del 2017, è finalmente arrivata al PSI, dove oggi lavora nel gruppo di ricerca guidato dal professore dell’ETHZ Klaus Kirch.

Alla ricerca di una ricca sorgente di muonio

Se si vuole realizzare praticamente un esperimento per testare la gravità, diventa tutto subito molto difficile. Dove trovare il muonio è probabilmente la domanda più difficile: “È precisamente questa la caratteristica più interessante per noi quando studiamo un esperimento gravitazionale” dice Anna Soter. “Per far si che questo tipo di esperimento riesca abbiamo bisogno di un fascio di muonio uniforme – che è un fascio in cui tutte le particelle hanno la stessa direzione e velocità. Non è ancora sicuro che i ricercatori di PSI riusciranno ad ottenere questo traguardo. Ma i primi passi sono stati fatti. “Per produrre il muonio, usiamo l’elio superfluido a 2.1 Kelvin. In un ambiente cosi freddo, i muoni veloci che vengono dall’acceleratore possono essere raffreddati enormemente cosicché possono creare il muonio unendosi ad un elettrone che viene dall’atomo di elio. Nell’esperimento dello scorso autunno, con un centimetro cubo di elio liquido, 70% dei muoni sono stati convertiti in muonio. Se questa sarà una sorgente abbastanza ricca di muonio in vuoto non è ancora chiaro al momento.”

Un’esistenza di due microsecondi

PSI è un luogo ideale per la ricerca di Anna Soter poiché nessun altro laboratorio nel mondo produce così tanti muoni e antimuoni artificiali. Purtroppo, i muoni sono particelle molto instabili. La loro vita è di giusto 2.2 milionesimi di secondo. Uno scienziato ha quindi poco, pochissimo tempo per condurre l’esperimento con i muonio. E siccome il muonio percorre solo 14mm durante la sua vita, l’esperimento deve essere allestito in uno spazio molto piccolo. I ricercatori non si fanno scoraggiare da questi ostacoli. Nei prossimi mesi, Anna Soter vuole lavorare per identificare una sorgente efficace di muonio. Inoltre, vuole sviluppare uno specchio atomico, che diriga il fascio di muonio nella direzione orizzontale. «Tre due anni, speriamo di sapere se potremmo fare una sorgente di muonio adatta a questo tipo di esperimento. Se riusciremo, sarà un gran successo. Altrimenti, lo sforzo non sarà stato vano: avremo creato comunque una nuova sorgente di muonio che potrà essere utilizzata da altri esperimenti.»

Autore: Benedikt Vogel

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