Antimateria (Open Day Universita` di Milano 2012)

Antimateria
1. Costituenti della materia
2. Cos’è l’Antimateria?
3. Antimateria a Terra
4. Antimateria nello Spazio
5. Antimateria e Big Bang
Marco G. Giammarchi
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
Via Celoria 16 – 20133 Milano (Italy)
[email protected]
http://pcgiammarchi.mi.infn.it/giammarchi/
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Antimateria: protagonista di rilievo della letteratura e del cinema di fantascienza
Angeli o
Demoni?
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1. Costituenti della materia
2. Cos’è l’Antimateria?
3. Antimateria a Terra
4. Antimateria nello Spazio
5. Antimateria e Big Bang
Thomson (1897): Discovers electron
Materia composta da costituenti
fondamentali: molecole, atomi,
nuclei  quark, leptoni (elettroni)
1x10 10 m
1x10 15 m
Ossigeno
0.7 x10 15 m
Idrogeno
Idrogeno
 0.7 x10 18 m
1010 m
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Costituenti fondamentali della materia: Quark e Leptoni
Sono elementari al meglio di 10-18 m
Materia ordinaria
Hanno spin e carica ben definiti
Costituiscono la
materia in
condizioni ordinarie
M
a
s
s
a
Costituiscono le
particelle instabili
Decadono in particelle stabili
Leptoni
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Quark
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Come si studiano le particelle elementari? Ad esempio in esperimenti con
acceleratori di particelle.
Ricetta:
• prendere particelle cariche
• accelerarle con sistemi
elettrici e magnetici
(acceleratori)
• farle urtare tra loro
Tunnel di LHC, CERN (Ginevra)
Nei grandi laboratori sistemi
complessi di acceleratori portano
particelle a energie elevatissime
Negli urti tra queste particelle, altre
particelle vengono prodotte. Massa
si trasforma in energia e viceversa
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p
p
Urto tra due protoni !
Trasformazione di energia (dei
protoni) in massa di nuove
particelle
E  mc 2
Gli urti tra due protoni
sono in realta’ urti tra i
quark costituenti
Quark
Protone
Protone
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I grandi complessi di acceleratori di particelle: il CERN di Ginevra
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I grandi rivelatori di particelle:
Atlas al CERN di Ginevra
Sistemi complessi
composti da molti
rivelatori
specializzati
CDF al Fermilab (Chicago)
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Il mondo delle particelle elementari: costituenti (quark,leptoni) e portatori di forze
In fisica classica:
In fisica quantistica
• Azione istantanea a distanza
• Campo (Faraday, Maxwell)
• Scambio di quanti
k
F 2
r
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Perché l’Antimateria?
E se fosse NECESSARIA data la descrizione che abbiamo del mondo delle
particelle elementari? Possiamo descrivere molti sistemi con questi criteri:
Velocita’ basse
v << c
Velocita’ alte
v simile a c
Sistema
macroscopico
Pienamente
Classico
Relativistico (non quantistico)
Sistema
atomico
Quantistico
(non relativistico)
Quantistico Relativistico
?
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Particelle e antiparticelle: la “nascita” della fisica delle particelle
1928: Equazione di Dirac, sintesi di Relatività Speciale e Meccanica Quantistica.
i 


  m   0
Le soluzioni dell’Equazione di Dirac per l’elettrone contenevano (gli stati di
spin) un’altra particella, con carica opposta a quella dell’elettrone
Elettrone, s=+1/2
Elettrone, s=-1/2
Positrone, s=1/2
Positrone, s=-1/2
Il positrone, particella identica
all’elettrone e- ma avente carica
positiva: e+. La prima previsione della
teoria quantistica relativistica
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1. Costituenti della materia
2. Cos’è l’Antimateria?
3. Antimateria a Terra
4. Antimateria nello Spazio
5. Antimateria e Big Bang
Il modo più semplice:
cambiare la carica
elettrica
Una banalita’: lo scambio di tutte le cariche delle particelle
Problemi:
1) Le strutture complesse?
(un atomo, una molecola)
2) Le particelle neutre?
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La prima particella di antimateria scoperta: il positrone (antielettrone)
Positroni scoperti nelle interazioni dei raggi
cosmici in camere a nebbia (Anderson, 1932).
L’esistenza delle antiparticelle: una proprietà
generale (ma non universale!) delle particelle
elementari
Antiparticella: stessa massa della particella
ma carica (e momento magnetico) opposti
I costituenti
fondamentali hanno tutti
un’antiparticella !
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Ricetta per costituire antimateria:
Scomporre la materia in costituenti (particelle) elementari
Prendere l’antiparticella di ogni particella elementare
Rimettere il tutto insieme
PROTONE: QUARKS
ANTIPROTONE: ANTIQUARKS
Ad esempio l’antiprotone:
Ad esempio l’anti-neutrone:
NEUTRONE: QUARKS
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ANTINEUTRONE: ANTIQUARKS
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1. Costituenti della materia
2. Cos’è l’Antimateria?
3. Antimateria a Terra
4. Antimateria nello Spazio
5. Antimateria e Big Bang
Abbiamo visto l’antimateria in forma di particelle. Ma…
1) Le antiparticelle sono stabili?
2) Possiamo costruire strutture più grandi di antimateria?
L’antimateria è del tutto instabile:
Una particella di antimateria ha tutti i numeri quantici
OPPOSTI a una di materia !
Appena urta la materia, tutto si trasforma in radiazione
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Ad esempio, un elettrone e un positrone (antielettrone) :
e

e

e e 


Con trasformazione di tutta la massa in
energia:
2
E  mc
L’antimateria esplode al contatto
con la materia!! Isolare bene
l’antimateria dalle pareti del
contenitore di materia
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La costruzione di anti-atomi:
Anti-idrogeno
(Anti-deuterio)
(Anti-elio)
La bottiglia di “Angeli e Demoni” è un
insieme di trappole per confinare
particelle cariche e metterle insieme
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Studiare l’Antimateria sulla Terra?
Una macchina dedicata al CERN:
1) Antiproton Decelerator
2) Produzione e studio di anti-H
• Produzione anti-idrogeno
• Confinamenteo anti-H
• Gravità anti-H
• Eli antiprotonico
• Adroterapia con antiprotoni
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……e questi siamo noi
Esperimento AEGIS al CERN per la misura della gravità dell’antimateria
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AEGIS
Collaboration
CERN, Geneva, Switzerland M. Doser, D. Perini, T. Niinikoski, A. Dudarev, T. W. Eisel, R. Van Weelderen, F. Haug, L.. Dufay-Chanat, J. L.. Servai
LAPP, Annecy, France. P. Nédélec, D. Sillou
Institute for Nuclear Problems of the Belarus StateUniversity, Belarus G. Drobychev
INFN Firenze, Italy G. Ferrari, M. Prevedelli, G. M. Tino
INFN Genova, University of Genova, Italy C. Carraro, V. Lagomarsino, G. Manuzio, G. Testera, S. Zavatarelli
INFN Milano, University of Milano, Italy F. Castelli, S. Cialdi, M. G. Giammarchi, D. Trezzi,, F. Villa
INFN Padova/Trento, Univ. Padova, Univ. Trento, Italy R. S. Brusa, S. Mariazzi, S. Moretto, G. Nebbia, S. Pesente, G. Viesti
INFN Pavia – Italy University of Brescia, University of PaviaG. Bonomi, A. Fontana, A. Rotondi, A. Zenoni
MPI- K, Heidelberg, Germany C. Canali, R. Heyne, A. Kellerbauer, C. Morhard, U. Warring
Kirchhoff Institute of Physics U of Heidelberg, Germany M. K. Oberthaler
INFN Milano, Politecnico di Milano, Italy G. Consolati, A. Dupasquier, R. Ferragut, F. Quasso
INR, Moscow, Russia A. S. Belov, S. N. Gninenko, V. A. Matveev, A. V. Turbabin
ITHEP, Moscow, RussiaV. M. Byakov, S. V. Stepanov, D. S. Zvezhinskij
New York University, USA H. H. Stroke
Laboratoire Aimé Cotton, Orsay, FranceL. Cabaret, D. Comparat
University of Oslo, Norway O. Rohne, S. Stapnes
CEA Saclay, France M. Chappellier, M. de Combarieu, P. Forget, P. Pari
INRNE, Sofia, Bulgaria N. Djourelov
Czech Technical University, Prague, Czech Republic V. Petráček, D. Krasnický
ETH Zurich, Switzerland S. D. Hogan, F. Merkt
7/16/2016
POSMOL 2011
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Quali sono le proprietà degli anti-atomi?
Sono fatti come gli atomi ordinari (a parte le
cariche scambiate?)
Cadono come gli atomi ordinari nel campo
gravitazionale terrestre?
Studio delle transizioni
atomiche dell’anti-idrogeno e
confronto con quelle
dell’idrogeno
Come cade un
antiatomo?
Test di leggi fisiche
fondamentali con
antimateria (CPT e
Principio di Equivalenza)
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1. Costituenti della materia
2. Cos’è l’Antimateria?
3. Antimateria a Terra
4. Antimateria nello Spazio
5. Antimateria e Big Bang
Materia e antimateria in forma di particelle elementari.
Particelle dallo spazio!
Raggio cosmico primario
Sciame di particelle
secondarie prodotte
nell’atmosfera
I raggi cosmici primari possono
contenere antiparticelle
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Motivazioni per la ricerca di antiparticelle nello spazio
Siccome l’Universo appare composto di materia (non di antimateria):
1) L’antimateria può essere prodotta in processi strani
2) Antimateria complessa (anti-elio) può indicare stelle di antimateria !!
La presenza dei positroni
potrebbe indicare il
decadimento di particelle di
materia oscura
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AMS: Alpha Magnetic Spectrometer
Ricerca antiparticelle nello spazio
Lanciato nel Maggio 2011
Residente sulla Stazione Spaziale
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1. Costituenti della materia
2. Cos’è l’Antimateria?
3. Antimateria a Terra
4. Antimateria nello Spazio
5. Antimateria e Big Bang
Lo schema con cui si descrive
la nascita e l’evoluzione
dell’Universo è quello del
BIG BANG CALDO
La creazione di Adamo – Michelangelo Buonarroti (1511).
(Musei Vaticani - La Cappella Sistina)
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Il modello del Big Bang:
1)
2)
3)
4)
5)
Il red-shift (espansione cosmica)
La nucleosintesi primordiale
La radiazione cosmica di fondo
La Relatività Generale
L’Inflazione
Osservazioni sperimentali
Teoria della Gravitazione
Se l’Universo è in espansione,
nei primi istanti ci si doveva
trovare in una situazione di
densità altissima, temperatura
altissima, energia/particella
altissima
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Particelle/Antiparticelle libere
Una storia termica dell’universo
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Particelle/Antiparticelle libere
e e  
 
  ee
Queste reazioni
creano e
distruggono
particelle/antiparti
celle in ugual
numero
p p 
Quando l’energia scende non è più
possibile creare coppie
particella/antiparticella. Invece tali
coppie si possono distruggere:
ee   
  e  e  NO
Una storia termica dell’universo
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Particelle/Antiparticelle libere
1) particella  antiparticella  energia
2) energia  particella  antiparticella
Reazioni di questo tipo
dovrebbero aver mantenuto
uguale il numero di
particelle e antiparticelle
Al diminuire di T solo la 1
resta possibile e tutte le
particelle/antiparticelle si
annichilano in energia
Una storia termica dell’universo
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Ma l’Universo non
è vuoto. Contiene
MATERIA e non
ANTIMATERIA !
Un processo fisico
ha alterato il
rapporto tra materia
e antimateria nei
primi istanti,
creando un poco
(pochissimo) di
materia in più
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Una profonda simmetrai in natura. Lo studio delle proprietà di antiparticelle e
particelle può risolvere uno dei misteri più profondi del cosmo.
l  10
18
l  4300 Mpc
cm
t 1023 s
t 13.8 109 y
Grazie per la vostra attenzione
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