Il Positronio “fa l’onda”: confermata per la prima volta la natura quantistica dell’atomo di antimateria

La fisica quantistica, quella branca della scienza che spesso sfida il senso comune e fa storcere il naso ai puristi della meccanica classica, ha segnato un altro punto a suo favore. Per decenni abbiamo saputo che la materia può comportarsi come un’onda: elettroni, neutroni e persino intere molecole lo hanno dimostrato.¹ Mancava però all’appello un sistema particolarmente sfuggente ed “esotico”: il positronio.

Ora, grazie a un elegante esperimento condotto dall’Università delle Scienze di Tokyo, abbiamo la prova definitiva: anche questo strano accoppiamento di materia e antimateria mostra un comportamento ondulatorio. Una scoperta che non solo conferma le previsioni teoriche, ma apre scenari inediti per la fisica fondamentale e l’analisi dei materiali.

Che cos’è il Positronio?

Per i non iniziati, il nome potrebbe sembrare uscito da un vecchio fumetto di fantascienza, ma il positronio è quanto di più reale esista nel micromondo.

Immaginate un atomo di idrogeno, il più semplice dell’universo, composto da un protone e un elettrone.² Ora, sostituite il protone (pesante) con un positrone. Il positrone è l’antiparticella dell’elettrone: ha la stessa massa, ma carica opposta (positiva).

Quando un elettrone e un positrone si incontrano, non si distruggono immediatamente. Invece, formano un sistema legato, una sorta di “atomo” senza nucleo, dove le due particelle orbitano attorno a un centro di massa comune. Questo è il positronio. È un sistema instabile, effimero, destinato a “suicidarsi” (annichilirsi) in una vampata di raggi gamma in tempi brevissimi, ma sufficienti per studiarne le proprietà.

Il positronio

L’esperimento: surfare sul Grafene

La sfida, vinta dal team del Professor Yasuyuki Nagashima, era dimostrare che questo sistema non si comporta come due palline da tennis legate insieme, ma come un’onda coerente.

Ecco come si è svolto l’esperimento, in passaggi chiave:

• Creazione del fascio: I ricercatori hanno generato ioni di positronio caricati negativamente.
• Pulizia laser: Utilizzando un impulso laser perfettamente sincronizzato, hanno rimosso un elettrone in eccesso, creando un fascio di positronio neutro, veloce e coerente.
• Il bersaglio: Il fascio è stato diretto contro un foglio di grafene sottilissimo, composto da appena due o tre strati atomici.
• La prova: Passando attraverso la “griglia” degli atomi di grafene, il positronio non ha colpito il rilevatore come una mitragliata di particelle, ma ha creato uno schema di diffrazione.

Dimostrazione della dualità onda-particella nel positronio. Utilizzando un fascio di positronio altamente coerente, i ricercatori hanno osservato chiari modelli di diffrazione dopo la trasmissione attraverso una pellicola di grafene, confermando il suo comportamento ondulatorio. Crediti dell’immagine: Professor Yasuyuki Nagashima dell’Università di Scienze di Tokyo, Giappone

L’onda e la diffrazione: cosa significa?

Qui arriviamo al cuore della meccanica quantistica. Quando parliamo di “comportamento ondulatorio” o “diffrazione”, ci riferiamo al famoso dualismo onda-particella.

Se lanciate della sabbia contro un muro con due fessure, dall’altra parte troverete due mucchietti di sabbia. Se fate passare un’onda (come quella del mare) attraverso due aperture, le onde in uscita interferiscono tra loro, creando zone di picco e zone di calma.

Il positronio ha fatto esattamente questo. Ha attraversato il grafene e ha prodotto un modello di interferenza. Questo conferma che, nonostante sia composto da due particelle distinte, il positronio viaggia come un singolo oggetto quantistico coerente. È una conferma spettacolare delle equazioni di de Broglie applicate a un sistema di particelle con massa uguale.

Per chiarezza, ecco un confronto tra le caratteristiche dell’esperimento e i risultati precedenti:

Perché è importante (anche per l’economia reale)

Al di là della soddisfazione teorica, che pure ha il suo peso, questa scoperta ha risvolti pratici interessanti. Scenarieconomici.it guarda sempre all’applicazione tecnica:

1. Analisi dei materiali: Essendo elettricamente neutro, un fascio di positronio può analizzare la superficie di materiali isolanti o magnetici senza disturbarli con cariche elettriche, cosa impossibile con i fasci di elettroni standard.
2. Test sulla gravità: In futuro, la precisione raggiunta potrebbe permettere di testare come la gravità agisce sull’antimateria, un campo dove le misurazioni dirette sono ancora una chimera. Non sappiamo se l’antimateria si comporti, gravitazionalmente, come la materia. Figuriamoci una sorta d’atomo ibrido come il positronio.

In sintesi, abbiamo aggiunto un nuovo strumento alla nostra cassetta degli attrezzi per comprendere l’universo. E, come spesso accade, la fisica fondamentale di oggi è la tecnologia industriale di domani.

Domande e risposte

Cos’è esattamente il positronio e perché è speciale?

Il positronio è un “atomo esotico” formato da un elettrone (materia) e un positrone (antimateria) legati insieme. È unico perché le due particelle hanno la stessa massa e orbitano l’una attorno all’altra. È un sistema instabile che tende ad auto-annichilirsi emettendo energia. La sua natura neutra e la composizione mista materia-antimateria lo rendono un laboratorio perfetto per testare le leggi fondamentali della fisica quantistica in condizioni limite.

Cosa significa che il positronio si comporta come un’onda?

Significa che, durante il movimento, il positronio non agisce come un proiettile solido, ma segue le leggi della meccanica ondulatoria, proprio come la luce. Nell’esperimento, passando attraverso il grafene, il fascio non ha viaggiato in linea retta ma si è “aperto” (diffrazione) creando zone di interferenza costruttiva e distruttiva. Questo dimostra che il sistema elettrone-positrone agisce come un’unica entità coerente descritta da una funzione d’onda, confermando il dualismo onda-particella.

Quali sono le applicazioni pratiche di questa scoperta?

La principale applicazione immediata riguarda la scienza dei materiali. Poiché il positronio è privo di carica elettrica, i fasci di positronio possono essere usati per scansionare e analizzare superfici delicate, come isolanti o materiali magnetici, senza alterarne lo stato elettrico (cosa che accade usando fasci di elettroni). A lungo termine, la capacità di manipolare questi fasci permetterà esperimenti di altissima precisione sull’antimateria, inclusi test sulla forza di gravità a livello atomico.

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