Antidrogeno mai così preciso: ecco la nuova era della fisica

SCOPERTE – Da un lato c’è l’atomo di idrogeno, costituito da un elettrone che orbita intorno ad un protone. Dall’altro, l’antidrogeno, dove il positrone ruota intorno all’antiprotone. Se i segreti del “semplice” atomo di idrogeno ad oggi sono stati svelati e le misurazioni del suo spettro sono ben note, gli scienziati da 30 anni studiano l’antidrogeno in modo sempre più accurato. Per la prima volta però gli scienziati del CERN di Ginevra, in Svizzera, che fanno parte della collaborazione ALPHA sono riusciti ad ottenere una misurazione dello spettro dell’atomo di antimateria con una precisione altissima, aprendo così una nuova era per la fisica della materia e i risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature.

L’atomo di idrogeno è un gigante della fisica fondamentale e sostiene il moderno quadro atomico. Lo spettro di questo atomo è caratterizzato da linee spettrali ben note che vengono emesse a determinate lunghezze d’onda e rappresentano l’emissione di fotoni quando gli elettroni saltano da un’orbita ad un’altra. La misurazione di queste transizioni elettroniche raggiungono una precisione di poche parti per quadrilioni e da tempo al CERN si cerca di eguagliare questo risultato anche per l’antidrogeno.

Tra gli obiettivi di indagare nel profondo lo spettro dell’antimateria c’è quello di mettere alla prova la simmetria fondamentale, detta invarianza di carica-parità-tempo (CPT), ricordando che anche solo una minima differenza tra l’idrogeno e l’antidrogeno farebbe crollare le fondamenta del Modello standard delle particelle, ma costituirebbe anche un primo passo nella spiegazione del perché l’universo sia composto quasi interamente da materia, nonostante dopo il Big Bang materia e antimateria siano state create in uguali quantità.

Ottenere una spettroscopia accurata dell’antidrogeno d’altronde non è affatto semplice, perché il contatto tra materia e antimateria ne provoca l’annichilazione. Per questo motivo l’ostacolo più grande che gli scienziati di ALPHA hanno dovuto è stato quello di produrre e intrappolare in una gabbia magnetica una quantità sufficiente di atomi di antidrogeno, oltre ad acquisire la tecnologia ottica necessaria ad effettuare le misurazioni con alta precisione.

Per produrre gli atomi di antimateria il team di ALPHA ha utilizzato gli antiprotoni prodotti dall’Antiproton Decelerator (AD) del CERN e poi li ha fatti rilegare con i positroni emessi da una sorgente di sodio-22. Una volta ottenuti gli atomi di antidrogeno, questi sono stati confinati in una trappola magnetica che li tenesse al sicuro dall’annichilazione. Una volta intrappolati, sugli atomi è stata riflessa una luce laser e la risposta è stata misurata e comparata con quella dell’idrogeno ben nota.

L’approccio non è del tutto nuovo: già nel 2016 i ricercatori lo hanno utilizzato pe misurare la frequenza delle transizioni elettroniche dell’antidrogeno tra gli stati di energia più bassi e il primo stato eccitato, detta transizione 1s-2s,  con una precisione di un paio di parti per 10 miliardi e osservando un buon accordo con le transizioni equivalenti dell’idrogeno. Per effettuare la misurazione sono state utilizzate due frequenze laser, una relativa alla transizione 1s-2s e l’altra discordata, inoltre si è tenuto conto anche del numero degli atomi di antidrogeno che sono riusciti a sfuggire alla trappola per via delle interazioni tra il laser e gli atomi intrappolati.

Il metodo è stato poi affinato nell’ultima misurazione, in cui sono state utilizzate diverse frequenze laser discordate, alcune leggermente inferiori e altre leggermente superiori, a quella della transizione 1s-2s dell’idrogeno. Utilizzare più frequenze ha permesso di misurare la forma spettrale, dividendola in colori, e di ottenere una misurazione precisa delle frequenze di transizione. La forma spettrale ottenuta per l’antidrogeno in questo modo non solo ricalca in maniera estremamente precisa quella dell’idrogeno, ma ha permesso ai ricercatori di APLHA di determinare la frequenza di transizione 1s-2s dell’antidrogeno con una precisione di un paio di parti per trilione, un fattore cento volte migliore di quello ottenuto nel 2016.

Questo risultato ha portato la spettroscopia dell’antidrogeno ad un livello decisamente superiore, come sottolineato anche dal portavoce dell’esperimento Jeffrey Hangst:

“La precisione raggiunta nell’ultimo studio è il massimo per noi. Stiamo cercando di raggiunger questa precisione da 30 anni e finalmente ce l’abbiamo fatta. Questa è una vera spettroscopia con antimateria, e la comunità dovrà tenerne conto. Stiamo realizzando tutte le promesse dello strumento AD del CERN e per la fisica della materia è un cambio di paradigma”.

Sebbene infatti la precisione ottenuta non sia equiparabile a quella dell’idrogeno ordinario, la collaborazione ALPHA ha migliorato in appena un anno di un fattore 100 le misurazioni effettuate per l’antidrogeno. Un progresso davvero rapido ma che soprattutto dimostra come test senza precedenti della simmetria CPT siano ora a portata di mano. Una nuova era, di altissima precisione, è ormai iniziata.

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