L’antimateria cade verso il basso o no? Come funzione la gravità in questo caso?

Più di un secolo dopo la sua immaginazione da parte di Einstein, gli scienziati stanno ancora discutendo su come la gravità influenzi l’antimateria, la versione speculare delle particelle potrebbero dominare una parte dell’universo e che è stata creata artificialmente sulla terra. In altre parole, una goccia di antimateria cade verso il basso o verso l’alto, viene attratta o respinta dalla gravitazione?

La saggezza fisica comune sostiene che dovrebbe cadere, cioè essere attratta. Un principio della relatività generale noto come principio di equivalenza debole implica che alla gravità non dovrebbe importare se qualcosa è fatto di materia o antimateria. Allo stesso tempo, un piccolo contingente di esperti sostiene che la caduta dell’antimateria potrebbe spiegare, ad esempio, l’energia oscura che potenzialmente domina il nostro universo.

Pare ora che però i fisici delle particelle abbiano ora la prima prova diretta della caduta dell’antimateria. La collaborazione Antiidrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA), un team internazionale con sede al CERN, ha misurato per la prima volta l’impatto della gravità sull’antimateria. Il gruppo ALPHA ha pubblicato oggi il proprio lavoro sulla rivista Nature.

Ogni particella nell’universo ha un riflesso di antimateria con massa identica e carica elettrica opposta; gli inversi sono nascosti in natura, ma sono stati rilevati nei raggi cosmici e utilizzati nell’imaging medico da decenni. Ma in realtà creare antimateria in una quantità significativa è complicato perché non appena una particella di materia e il suo antagonista si incontrano, i due si autodistruggono trasformandosi in pura energia. Pertanto, l’antimateria deve essere attentamente isolata da tutta la materia, il che rende estremamente difficile lasciarla cadere o giocarci in qualsiasi modo.

“Tutto ciò che riguarda l’antimateria è impegnativo”, afferma Jeffrey Hangst, fisico dell’Università di Aarhus in Danimarca e membro del gruppo ALPHA. “Fa davvero schifo doverci lavorare.”

In aggiunta alla sfida, la gravità è estremamente debole sulla scala microscopica degli atomi e delle particelle subatomiche. Già negli anni ’60, i fisici pensarono per la prima volta di misurare gli effetti della gravità sui positroni, o antielettroni, che hanno carica elettrica positiva anziché negativa. Purtroppo, quella stessa carica elettrica rende i positroni suscettibili a minuscoli campi elettrici e l’elettromagnetismo eclissa la forza di gravità.

Quindi, per testare adeguatamente l’influenza della gravità sull’antimateria, i ricercatori avevano bisogno di una particella neutra. L’unico “quello dell’orizzonte” era l’atomo di antiidrogeno, dice Joel Fajans, fisico della UC Berkeley e altro membro del gruppo ALPHA.

L’antiidrogeno è il primo e più fondamentale elemento della tavola antiperiodica. Proprio come il comune atomo di idrogeno è costituito da un protone e un elettrone, l’atomo di base di antiidrogeno è costituito da un antiprotone caricato negativamente e un positrone orbitante. I fisici hanno creato atomi di antiidrogeno solo negli anni ’90; non potevano intrappolarne e immagazzinarne alcuni fino al 2010.

“Abbiamo dovuto imparare come realizzarlo, e poi abbiamo dovuto imparare come trattenerlo, e poi abbiamo dovuto imparare come interagire con esso, e così via”, afferma Hangst.

Una volta superati questi ostacoli, sono stati finalmente in grado di studiare le proprietà dell’antiidrogeno, come il suo comportamento sotto gravità. Per il nuovo articolo, il gruppo ALPHA ha progettato una camera a vuoto verticale attorno a un tubo verticale privo di qualsiasi materia per evitare che l’antiidrogeno si annichili prematuramente. Gli scienziati hanno avvolto parte del tubo all’interno di una “bottiglia” magnetica superconduttiva, creando un campo magnetico che ha bloccato l’antiidrogeno in posizione finché non è stato necessario utilizzarlo.

La costruzione di questo apparato ha richiesto anni di seguito. “Abbiamo trascorso centinaia di ore semplicemente studiando il campo magnetico senza utilizzare affatto l’antimateria per convincerci che sapevamo cosa stavamo facendo”, afferma Hangst. Per produrre un campo magnetico abbastanza forte da trattenere l’antiidrogeno, hanno dovuto mantenere il dispositivo freddo a -452 gradi Fahrenheit.

Il gruppo ALPHA ha quindi abbassato il campo magnetico per aprire la parte superiore e inferiore della bottiglia e ha lasciato liberi gli atomi di antiidrogeno finché non si sono caduti contro la parete del tubo. Hanno misurato dove sono avvenute quelle morti atomiche: sopra o sotto la posizione in cui era trattenuta l’antimateria. Circa l’80% degli atomi è caduto pochi centimetri sotto la metà, in linea con ciò che farebbe una nuvola di normali atomi di idrogeno nella stessa configurazione. (Il restante 20% è semplicemente saltato fuori.)

“È stato molto divertente fare l’esperimento”, afferma Fajans. “Le persone pensano a questo problema da cento anni… ora abbiamo una risposta definitiva”.

Altri ricercatori in tutto il mondo stanno ora cercando di replicare il risultato. Tra loro figurano altre due collaborazioni del CERN, GBAR e AEgIS, anch’esse focalizzate sugli atomi di antiidrogeno. Lo stesso team ALPHA spera di modificare il proprio esperimento per acquisire maggiore fiducia nel risultato.

Ad esempio, quando gli autori dello studio Nature hanno calcolato la rapidità con cui gli atomi di antiidrogeno acceleravano verso il basso con la gravità, hanno scoperto che era pari al 75% della velocità

i fisici si aspetterebbero per i normali atomi di idrogeno. Ma si aspettano che la discrepanza svanisca quando ripetono queste osservazioni per trovare un risultato più preciso. “Questo numero e queste incertezze sono essenzialmente coerenti con la nostra migliore aspettativa su come sarebbe stata la gravità nel nostro esperimento”, afferma William Bertsche, fisico dell’Università di Manchester e altro membro del gruppo ALPHA.

Ma è anche possibile che la gravità influenzi la materia e l’antimateria in modi diversi. Una tale anomalia metterebbe in dubbio il principio di equivalenza debole – e, per estensione, la relatività generale nel suo insieme.

Risolvere questa domanda essenziale potrebbe portare a ulteriori risposte anche sulla nascita dell’universo. L’antimateria è al centro di uno dei grandi misteri irrisolti della fisica: perché non ne vediamo di più? Le nostre leggi della fisica decretano chiaramente che il big bang avrebbe dovuto creare parti uguali di materia e antimateria. Se così fosse, le due metà del nostro cosmo dovrebbero essersi autodistrutte poco dopo la nascita.

Invece, osserviamo un universo pieno di materia e privo di antimateria distinguibile per bilanciarlo. O il big bang ha creato un inspiegabile eccesso di materia, oppure è successo qualcosa di sconosciuto. Gli scienziati chiamano questo enigma cosmico il problema della bariogenesi.

Eccovi un video sulla materia