Come è fatto l’antidrogeno? ALPHA osserva lo spettro per la prima volta

SCOPERTE – Da un lato esiste la materia, dove l’elettrone ha carica elettrica negativa. Dall’altra esiste l’antimateria, dove l’elettrone è positivo e viene chiamato positrone. Per ogni atomo, dunque, ne esiste uno speculare dove il nucleo ha carica elettrica negativa ed è composto da antiprotoni a cui orbitano intorno i positroni. Sappiamo dell’esistenza dell’antimateria e nei laboratori del Cern di Ginevra, in Svizzera, era già stata prodotta, ma ora per la prima volta gli scienziati della collaborazione ALPHA sono riusciti a osservare lo spettro di emissione di un atomo di antidrogeno.

Il risultato ha mostrato che tra lo spettro di idrogeno e di antidrogeno non ci sono differenze significative e comporta una ulteriore dimostrazione della validità del Modello Standard delle particelle. La scoperta del team della collaborazione ALPHA è stata pubblicata sulla rivista Nature il 19 dicembre e arriva dopo oltre 20 anni di lavoro da parte dell’intera comunità di scienziati che ogni giorno si aggira per i corridoi del Cern. Un risultato che è stato accolto con entusiasmo, dato che apre un’era completamente nuova nello studio dell’antimateria con ricerche di altissima precisione. Jeffrey hangst, portavoce della collaborazione ALPHA, ha dichiarato:

“Usando un laser per osservare una transizione dell’antidrogeno siamo stati in grado di compararlo con lo spettro dell’idrogeno. Cercare eventuali differenze tra i due spettri, e quindi vedere se obbediscono alle stesse leggi della fisica, è sempre stato un obiettivo chiave bella nella ricerca sull’antimateria”.

Che cos’è l’antimateria?

Gli atomi sono composti da nuclei attorno a cui orbitano degli elettroni, che sono particelle cariche negativamente. I nuclei, a loro volta, sono composti da protoni, particelle cariche positivamente, e da neutroni, che prendono il nome proprio dall’essere elettricamente neutri. Quando gli elettroni si spostano da un orbitale all’altro, aumentando o diminuendo la distanza dal nucleo, assorbono o emettono energia a specifiche lunghezze d’onda. Proprio questi assorbimenti o emissioni di radiazione formano lo spettro dell’atomo.

Nell’antimateria invece le cariche elettriche dei componenti atomici, e dunque degli atomi stessi, sono invertite. I nuclei sono formati infatti da particelle cariche negativamente, antiprotoni, e da neutroni, attorno a cui orbitano i positroni, cioè elettroni carichi positivamente. Anche se le cariche elettriche sono invertite, costituendo così particelle di antimateria, secondo il Modello Standard delle particelle questi antiatomi devono obbedire alle stesse leggi della fisica e dunque nelle transizioni da un orbitale ad un altro emettere o assorbire energia come fa il loro atomo speculare, formando così uno spettro simile.

Alla scoperta dell’antimateria: perché studiare lo spettro dell’antidrogeno?

Ogni elemento in natura ha uno spettro unico che viene analizzato non solo nell’ambito della fisica delle particelle, ma anche nell’astronomia e nella chimica. La spettroscopia permette così di caratterizzare gli atomi e le molecole e consente agli scienziati di osservare i loro stati interni. Per esempio, in astrofisica, analizzare lo spettro luminoso di una remota stella permette agli scienziati di determinarne la composizione chimica nel dettaglio.

Potendo così concentrarsi su un antiatomo, perché gli scienziati della collaborazione ALPHA hanno scelto l’antidrogeno appare facile. Con il singolo protone e il singolo elettrone, l’idrogeno è l’elemento più abbondante, semplice e ben compreso dell’universo. Il suo spettro è stato misurato con altissima precisione. Gli atomi di antidrogeno, invece, sono davvero poco conosciuti.

Dato che l’universo sembra essere costituito interamente di materia, i costituenti dell’antimateria devono essere prodotti e assemblati in atomi prima che il loro spettro possa essere misurato. Si tratta di un processo accurato e scrupoloso, ma necessario per misurare le differenze tra gli spettri dei due atomi dato che ogni differenza, anche minima, potrebbe portare alla rottura delle leggi base della fisica e aiutare a comprendere il puzzle del bilancio di materia e antimateria nell’universo.

Antidrogeno, come è stato prodotto al Cern

Gli scienziati dell’esperimento ALPHA, Antiproton Decelerator facility, sono riusciti con una nuova tecnica non solo a produrre atomi di antidrogeno, ma anche a stoccarli in una trappola magnetica, che gli ha così permesso di studiarli usando fasci laser o altre sorgenti di radiazione. Un compito non facile, come ha spiegato Hangst:

“Spostare e intrappolare antiprotoni o positroni è facile perché sono particelle cariche. Ma quando li combini insieme ottieni l’antidrogeno elettricamente neutro, che è più difficile da intrappolare, così abbiamo progettato una trappola magnetica davvero speciale che si basa sul fatto che l’antidrogeno è leggermente magnetico”.

I ricercatori hanno mescolato un plasma composto da circa 90mila antiprotoni con i positroni grazie all’Antiproton Deceleretor e il risultato è stata la produzione di circa 25mila atomi di antidrogeno. La nuova tecnica utilizzata si basa sul mixaggio di due cicli successivi, in modo da produrre e intrappolare una media di 14 anti-atomi per tentativo, contro gli 1,2 anti atomi intrappolati con i precedenti metodi.

Il passaggio seguente è stato quello di illuminare gli atomi intrappolati con un fascio laser che emette ad una precisa frequenza in grado di indurre una transizione del positrone dall’orbitale 1s, quello più vicino al nucleo, all’orbitale 2s, che si trova ad una distanza maggiore. Nel passaggio da un orbitale all’altro il positrone ha emesso una luce, cioè uno spettro, che è stata studiata dagli scienziati.

Un passo avanti verso la comprensione dell’antimateria

Una volta ottenuto lo spettro dell’atomo di antidrogeno i ricercatori sono così stati in grado di compararlo con quello, ben noto, dell’atomo di idrogeno. Lo studio ha permesso così di scoprire che i due spettri coincidono e che dunque seguono le stesse leggi della fisica, proprio come previsto dal Modello Standard per le particelle. Quello compiuto dalla collaborazione ALPHA rappresenta così un primo passo nello studio dello spettro dell’antimateria e pone le basi per nuove misure che in futuro potranno essere eseguite con una precisione sempre maggiore, offrendo così alla scienza uno strumento nuovo per indagare le differenze tra materia e antimateria e definire la robustezza del Modello Standard.

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