Un team internazionale di fisici ha riportato una scoperta importante su una forma elusiva di materia nota come antimateria. Sembra che l’antimateria risponda alla gravità allo stesso modo della materia normale, confermando le teorie proposte da Albert Einstein più di un secolo fa.
Prima osservazione diretta di antimateria in caduta libera
Questo risultato segna la prima osservazione diretta di antimateria in caduta libera, in cui gli atomi sono composti da antiprotoni al posto dei protoni e antielettroni (positroni) al posto degli elettroni. Gli antiprotoni sono essenzialmente protoni con carica negativa (i protoni sono positivi negli atomi di materia normale) e i positroni sono elettroni con carica positiva (gli elettroni sono negativi negli atomi di materia normale).
La nuova ricerca ha dimostrato che l’antidrogeno atomico, composto da un antiprotone al centro con un positrone a carica positiva che orbita intorno ad esso, viene attratto verso il basso a causa della gravità invece che verso l’alto, come ci si potrebbe aspettare da una forma di materia che si presenta come l’ “opposto” della materia normale.
Conferma della teoria generale della relatività di Einstein
Inoltre, quasi tre decenni dopo che l’antidrogeno è stato creato per la prima volta in laboratorio, il trionfo scientifico di oggi è un’altra conferma della teoria generale della relatività di Einstein, che prevede che tutte le masse, indipendentemente dalle differenze nelle loro strutture interne, reagiscano alla gravità in modo simile.
“Se cammini per i corridoi di questo dipartimento e chiedi ai fisici, tutti direbbero che questo risultato non è affatto sorprendente. Questa è la realtà”, ha dichiarato Jonathan Wurtele, professore di fisica all’Università della California a Berkeley, che ha proposto per la prima volta l’esperimento più di un decennio fa e co-autore del nuovo studio. “Ma la maggior parte di loro direbbe anche che l’esperimento doveva essere fatto perché non si può mai essere certi”.
La dinamica della “bottiglia magnetica” al CERN
Wurtele e il suo team hanno creato, intrappolato e studiato particelle di antihydrogen presso il Centro Europeo per la Ricerca Nucleare (meglio conosciuto con l’acronimo francese CERN). Le particelle erano intrappolate all’interno di quello che era essenzialmente una bottiglia magnetica, entrambe le estremità della quale contenevano campi magnetici controllabili. Per osservare gli effetti della gravità sulle particelle di antihydrogen, i ricercatori hanno ridotto la forza del campo magnetico ad ogni estremità per far fuggire le particelle.
Quando ogni particella si spostava verso l’alto o verso il basso della bottiglia magnetica, emetteva una scintilla. I ricercatori hanno quindi contato queste scintille e hanno scoperto che un numero maggiore di particelle si spostava verso il basso rispetto all’alto. In realtà, un impressionante 80% di esse si comportava in questo modo e questo risultato si è ripetuto per una dozzina di volte nell’esperimento. Secondo il nuovo studio, ciò dimostra in modo conclusivo che la gravità fa cadere l’antihydrogen verso il basso.
Potente manopola sperimentale
“Questo ci dà una potente manopola sperimentale che ci permette, in sostanza, di credere che l’esperimento abbia funzionato perché possiamo dimostrare a noi stessi che possiamo controllare l’esperimento in modo prevedibile”, ha dichiarato Joel Fajans, professore di fisica presso l’Università di Berkeley e co-autore del nuovo studio.
Il team ha anche scoperto che l’accelerazione gravitazionale dell’antihydrogen era simile a quella della materia normale, che è di 9,8 metri (32 piedi) al secondo quadrato. Secondo i ricercatori, questo risultato dovrebbe essere valido anche per altre particelle di antimateria.
“Sarebbe sorprendente se non fosse vero (prima, che qualcosa cadesse in alto e, secondo, che ci fosse una differenza con l’antihydrogen)”, ha detto Fajans.
Differenza nella forza gravitazionale sull’antimateria rispetto alla materia
Tuttavia, sebbene le ultime scoperte escludano le teorie che sostengono che l’antimateria sia respinta dalla gravità, solo misurazioni più precise potranno dire se c’è qualche differenza nella forza gravitazionale sull’antimateria rispetto alla materia. Nonostante ciò, ottenendo la prima osservazione diretta degli effetti gravitazionali sull’antihydrogen, i ricercatori segnano l’inizio della ricerca dettagliata e diretta sulla natura gravitazionale dell’antimateria, che rimane misteriosamente scarsa nell’universo.
Se la materia e l’antimateria agiscono in modo così simile, dov’è l’antimateria mancante dell’universo?
Questa è ancora una domanda aperta. Durante il Big Bang, si ritiene che l’universo fosse ricco di coppie di particelle di materia e antimateria, quest’ultima considerata lo specchio della materia in quanto le sue particelle hanno la stessa massa tranne per una carica elettrica opposta. Se le particelle di materia e antimateria entrano in contatto, si annichiliscono a vicenda in una violenta esplosione che lascia dietro di sé pura energia, quindi materia e antimateria vengono sempre create e distrutte a coppie.
In teoria, ciò significa che l’universo dovrebbe essere composto solo da energia residua, almeno secondo il “Modello Standard della fisica delle particelle” che descrive la nostra attuale migliore comprensione di come le particelle fondamentali si comportano sotto le quattro forze fondamentali della natura.
Ma questa simmetria è stata interrotta durante l’evoluzione dell’universo in modo tale che vediamo chiaramente la materia dominare l’universo osservabile. Questo va oltre ciò che il Modello Standard può spiegare. Pertanto, i processi che hanno sbilanciato la situazione in modo che rimanesse così poca antimateria sono ancora sconosciuti.
“Purtroppo, poiché le nostre risposte sono coerenti con la teoria della relatività generale, non gettano alcuna luce sulla scarsità di antimateria”. Fajans ha aggiunto che prevede che la precisione dell’esperimento attuale possa essere migliorata di un fattore di 100 in futuro. “Questo potrebbe portare a qualcosa di nuovo, ma ovviamente non sappiamo ancora se sarà il caso. La maggior parte direbbe che è improbabile, ma comunque merita di essere approfondito”.
I risultati sono stati pubblicati dalla collaborazione Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA) al CERN mercoledì (27 settembre) sulla rivista Nature.