ARTE TECNOLOGICA

Esperimento Asacusa al Cern di Ginevra

16.05.2014 17:56

 “Una cosa è impossibile da realizzare finché non arriva qualcuno che non lo sa e la inventa” (Albert Einstein). Dominiamo l’Antimateria nel 50mo anniversario della scoperta dei Quark, ad opera dei fisici Murray Gell-Mann e George Zweig. Correva l’anno 1964. Oggi gli scienziati dell’esperimento Asacusa al Cern di Ginevra sono riusciti per la prima volta a produrre un fascio collimato di atomi di Anti-Idrogeno. Il risultato è presentato nell’articolo “A source of antihydrogen for in-flight hyperfine spectroscopy” pubblicato su Nature Communications nel quale la collaborazione scientifica spiega di aver rivelato in modo inequivocabile 80 atomi di Anti-Idrogeno alla bellezza di 2,7 metri dalla sorgente. Secondo Luca Venturelli dell’Infn e dell’Università di Brescia che coordina il gruppo italiano della collaborazione, il fascio di Anti-Idrogeno “rende molto più concreta e vicina la possibilità di realizzare misure di precisione con gli atomi di Anti-Idrogeno. Sondare le caratteristiche dell’Antimateria può aiutare a risolvere uno dei grandi misteri della fisica moderna: la prevalenza di Materia rispetto all’Antimateria nell’Universo visibile”.  Un po’ presto per dire addio alle folli bollette energetiche per le famiglie e le imprese! Ma il team di ricerca (N. Kuroda, S. Ulmer, D. J. Murtagh, S. Van Gorp, Y. Nagata, M. Diermaier, S. Federmann, M. Leali, C. Malbrunot, V. Mascagna, O. Massiczek, K. Michishio, T. Mizutani, A. Mohri, H. Nagahama, M. Ohtsuka, B. Radics, S. Sakurai, C. Sauerzopf, K. Suzuki ed altri) ha le idee chiare. Una vera manna non solo per la Spettroscopia dell’Antimateria. Come lavora ASACUSA, acronimo di Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons? L’esperimento si basa sulle differenze fondamentali nel comportamento della materia e dell’Antimateria. Invece di confrontare direttamente gli atomi con i loro corrispondenti Antiatomi, come fanno gli esperimenti ATRAP e ALPHA sempre al Cern, i fisici di Asacusa creano atomi ibridi di Elio antiprotonico. L’elemento Elio, il secondo più abbondante nell’Universo dopo l’Idrogeno, entrambi essenziali nei processi di fusione termonucleare nei nuclei delle stelle, infatti ha la seconda struttura atomica più semplice in Natura.  L’atomo di Elio è formato da due elettroni con carica negativa che orbitano attorno a un nucleo centrale di protoni con carica positiva. Gli scienziati di Asacusa hanno realizzato un “miracolo” di ingegneria sub-nucleare, producendo Elio antiprotonico (Antimateria) dalla sostituzione di uno di questi elettroni con un Antiprotone che è l’equivalente del protone. Questo è possibile non soltanto in Star Trek ma anche al Cern perché, come l’elettrone, l’Antiprotone ha la carica negativa. Il processo di creazione di questi atomi ibridi di Elio non solo è più semplice di quello necessario per fabbricare atomi di Anti-Idrogeno, ma consente di stabilizzarli meglio, tenendoli in vita più a lungo nel nostro Universo. Pena la loro totale annichilazione con la massa equivalente di materia. Niente paura! È soltanto Scienza. Il team dell’esperimento Asacusa utilizza il Decelleratore di Antiprotoni al Cern, per indirizzare un raggio di Antiprotoni nel gelido gas di Elio. La maggior parte degli Antiprotoni si annichila velocemente con la materia ordinaria dell’esperimento senza distruggere il mondo. Solo una piccola porzione di essi si combina con l’Elio per formare atomi ibridi che contengono sia materia sia Antimateria. Con speciali laser si eccitano gli atomi. Asacusa così è in grado di misurare la massa dell’Antiprotone con un livello di precisione senza precedenti. Quel raggio di Antimateria che viaggia tranquillo per 2,7 metri dalla sorgente, è un messaggio molto potente. Il confinamento magnetico usato per crearlo era molto più debole a quella distanza. In Natura l’Antimateria si annichila regolarmente con la materia al semplice contatto, producendo fotoni di luce (energia). Tuttavia oggi è possibile produrre Antimateria e materia stabili, miscelando Positroni (Anti-elettroni) e Antiprotoni di bassa energia prodotti dal Decelleratore di Antiprotoni (AD). Prima al Cern si fabbricava l’Antimateria con le catene di acceleratori, ognuno dei quali offriva il suo contributo per creare antiparticelle. Il Decelleratore di Protoni oggi fa tutto da solo, produce gli Antiprotoni e li spedisce ai vari esperimenti. Come? In primis, occorre generare un raggio di protoni con il Sincrotrone protonico (PS). Quindi bisogna indirizzare il fascio su un blocco di metallo. L’energia delle collisioni è sufficiente per creare una nuova coppia di Protoni-Antiprotoni. Almeno una volta ogni milione di collisioni. Gli Antiprotoni prodotti viaggiano quasi alla velocità della luce. Ma hanno troppa energia per creare Antiatomi utili. Si muovono in tutte le direzioni. Il Decelleratore di Protoni è un anello di confinamento e di messa a fuoco che, grazie a speciali magneti, mantiene gli Antiprotoni nello stesso fascio ordinato, mentre i forti campi elettrici li rallentano. Il passaggio degli Antiprotoni attraverso nuvole di elettroni, riduce fortemente le loro energie caotiche fino a rallentare l’Antimateria al di sotto del 10 percento della velocità della luce, pronti ad essere sparati negli esperimenti. L’intero processo di decelerazione antiprotonica richiede circa un minuto! Gli spettri luminosi dell’Idrogeno e del suo equivalente di Antimateria, dovrebbero essere identici. Ma una loro piccola differenza aprirebbe le porte a scenari di Nuova Fisica ancora oggi non del tutto compresi.  Gli esperimenti al Cern, pubblici e liberi, sono resi possibili dalle vantaggiose proprietà magnetiche dell’Anti-Idrogeno e dall’uso di fortissimi campi magnetici non uniformi per intrappolare gli Anti-atomi quanto basta a studiarli. Per fare spettroscopia ad altissima risoluzione, gli scienziati di Asacusa hanno sviluppato un innovativo procedimento per trasferire gli atomi di Anti-Idrogeno laddove possono essere osservati in volo, in una regione distante metri dalla sorgente caratterizzata dal forte campo magnetico. “Gli atomi di Anti-Idrogeno non hanno carica – rivela Yasunori Yamazaki del Japan’s Riken Research Center, uno dei team leader nipponici della collaborazione Asacusa – per cui è stata grande la sfida per trasferirli lontano dalla loro trappola. I nostri risultati sono molto promettenti per lo studio degli atomi di Anti-Idrogeno, in particolare della loro elegante struttura nucleare, una delle due proprietà spettroscopiche meglio conosciute dell’idrogeno. La sua misura nell’Anti-Idrogeno consentirà di testare con estrema precisione la simmetria Materia/Antimateria. Ora guardiamo avanti, all’immediato futuro per ricominciare quest’Estate del 2014 con esperimenti sempre migliori”. In effetti il prossimo goal di Asacusa sarà quello di ottimizzare l’intensità e l’energia cinetica dei fasci di Anti-Idrogeno per comprendere meglio il loro stato quantico. Siamo già ben oltre Star Trek! Gli esperimenti con l’Antimateria al Cern di Ginevra stanno letteralmente accelerando. Nel 2013 l’esperimento ATRAP fu il primo a misurare direttamente il momento magnetico dell’Anti-protone con la precisione di 4.4 parti per milione. Nel 2002 misurò per la prima volta atomi freddi di Anti-Idrogeno formato da un Antiprotone e da un Positrone (Anti-elettrone). Lavorare con l’Antimateria non è facile. Uno dei problemi è l’energia degli Antiprotoni quando per la prima volta vengono sparati fuori dall’apparato sperimentale quasi alla velocità della luce. Per frenarli e studiarli, li si raffredda. Atrap è stato il primo esperimento al mondo ad usare Antiprotoni e Positroni freddi. Le due particelle vennero confinate nella stessa trappola. Raggiunta la stessa temperatura, furono combinate per formare atomi di Anti-Idrogeno. Questa tecnica fu sviluppata per un altro esperimento al Cern, chiamato TRAP, il “papà” di ATRAP. Cambiano i rivelatori, come nel caso dell’esperimento ATHENA (spento nel 2004) ma la sostanza è sempre quella di produrre atomi di Anti-Idrogeno, dalla fine degli Novanta del secolo scorso. ATRAP è ancora operativo. Continua a produrre Antimateria fredda (Anti-Idrogeno) regolarmente intrappolata dai fisici grazie ai forti campi magnetici. Nessuno può rubare l’Antimateria al Cern! Attualmente sono operativi quattro esperimenti sull’Antimateria al Cern di Ginevra: AEGIS, ALPHA, ASACUSA e ATRAP. L’obiettivo primario dell’esperimento AEGIS, acronimo di “Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy”, è la misura diretta di “G”, l’accelerazione gravitazionale della Terra, utilizzando l’Anti-Idrogeno.  Frutto di una collaborazione internazionale europea, il team di AEGIS usa gli Antiprotoni prodotti da AD per produrre un fascio di atomi di Anti-Idrogeno spediti in un rilevatore chiamato Moire per misurare la forza dell’interazione gravitazionale tra la materia e l’Antimateria con una precisione dell’unità percentuale. AEGIS punta decisamente in alto. L’Antimateria produce effetti gravitazionali nel nostro Universo? In Star Trek viene usata per viaggiare tra le stelle e nel tempo. L’esperimento ACE, acronimo di “Antiproton Cell Experiment”, è attivo dal 2003. Nella Medicina Nucleare sarà utile per combattere alcune tipologie di tumori grazie ai suoi Antiprotoni. Fisici, biologi e medici di 10 prestigiosi Istituti del mondo collaborano (anche in Italia) per la prima volta nello studio degli effetti biologici degli Antiprotoni. L’Antimateria è vita! Fasci di Antiprotoni possono distruggere le cellule maligne, specificatamente focalizzati nel corpo del paziente con un preciso quantitativo di energia. Il cui rilascio sui tessuti tumorali di materia (ad esempio nel cervello) provoca la disintegrazione del cancro. Gli scienziati di ACE stanno sperimentando trattamenti alternativi al “fuoco diretto” di Antiprotoni sulle cellule tumorali. È ancora probabile infatti che possano danneggiare le vicine cellule sane. L’annichilazione del tumore, infatti, trasforma la loro massa in pura energia che s’irradia intorno. Un raggio nucleare di Antimateria, diretto sui nuclei degli atomi maligni, potrebbe essere la soluzione: l’energia così rilasciata irradierebbe solo le adiacenti cellule tumorali. Esperimenti sono in corso. L’idea è quella di poter prolungare il trattamento con Antimateria sul paziente in caso di recidiva, senza compromettere le cellule sane. ACE è un esempio eccellente di come la ricerca nucleare possa offrire soluzioni innovative con potenziali benefici per la salute dell’Uomo. I progressi sono lenti ma costanti. Le applicazioni cliniche entro i prossimi 10 anni rivoluzioneranno la Medicina. Eccezionali risultati scientifici che si affiancano ai primi trecento atomi di Antimateria prodotti al Cern di Ginevra nell’esperimento Alpha, intrappolati per mille secondi in perfette condizioni di confinamento magnetico. Un grande successo del gruppo di Jeffrey Hangst e dei fisici nucleari di tutto il mondo. Trecento atomi di Antimateria oggi si battono strenuamente contro l’ignoranza, le guerre, la fame, le povertà e la barbarie dell’oscurantismo politico e dell’Hiroshima culturale imposti da poteri più o meno oscuri ai governi ed ai popoli della Terra, da politicanti senza scrupoli. Come i Trecento eroi di Leonida che nella battaglia decisiva delle Termopili con il loro coraggio e sacrificio salvarono la Civiltà occidentale dalla fine, così oggi la Scienza nucleare mondiale di Pace, a cominciare da questi nuovi Trecento, sta riscrivendo daccapo la storia dell’Umanità per consegnare alle future generazioni una Terra senza più guerre, fame, disoccupazione, pestilenze, carestie, ignoranza e povertà. La notizia del Cern assume una rilevanza eccezionale. Saranno pure pochi quei Trecento Anti-elementi ma chi ben comincia è alla metà dell’opera. La Pace, infatti, è Energia. Senza energia e senza risorse, le guerre (umanitarie o meno) sono inevitabili. La Storia non mente. La fine delle ostilità per i combustibili fossili, è vicina. L’energia infinita gratis per tutti un giorno potrà significare Pace mondiale assicurata e garantita per tutti in una nuova Economia fondata sul Credito alla Persona e non più sul debito. Questa Scienza e questa Tecnologia nucleare di Pace, a base di Antimateria, cambieranno il mondo per sempre. Certamente è un progresso epocale che invoca subito un’evoluzione copernicana nel diritto, nella morale, nella politica e nell’etica pubblica e privata sulla Terra, prima che sia troppo tardi. Perché gli oscurantisti (i veri demoni) sono alle porte per la nuova caccia alle streghe. Il fatto che al Cern di Ginevra, sotto la città svizzera, siamo già nel futuro, spaventa solo i romanzieri. Trecento piccoli passi, o anti-Mondi se preferite, verso l’universo di Star Trek, verso piccole centrali nucleari portatili efficienti al 100 percento. La fissione nucleare nelle ormai obsolete centrali oggi garantisce al massimo il 2 percento di efficienza energetica; la fusione nucleare nell’immediato futuro ne garantirà non più del 4 percento nella trasformazione di massa in energia. È un balzo gigantesco per l’Umanità. Verso le stelle. Stiamo vivendo un “flash forward” decisamente interessante. Nel famoso laboratorio civile del Centro Ricerche Nucleari di Ginevra vengono prodotti per la prima volta 300 atomi stabili di Antimateria (Antidrogeno) e, sempre per la prima volta, 300 di questi Anti-atomi sopravvivono per mille secondi (alcuni anni fa, gli scienziati erano riusciti a confinarne 38 per appena un decimo di secondo!) stabilizzati grazie a uno speciale confinamento magnetico. In pratica, sono stati tenuti in vita artificialmente 300 rappresentanti degli anti-Mondi, “parcheggiati” nell’esperimento Alpha condotto da migliaia di fisici nucleari di tutto il mondo.  Nell’articolo pubblicato sulla rivista Nature Physics, gli scienziati di Atlas confermano di aver catturato 300 atomi di Antimateria per oltre 16 minuti. Un’eternità perché ora è davvero possibile studiare le loro proprietà in gran dettaglio. Investigare i misteri della Natura, attraverso una delle più elusive sostanze che l’Universo contenga, è fondamentale per ottenere un giorno, non più tanto lontano, energia fotonica pulita al 100 percento. Altro che pale a vento e pannelli fotovoltaici made in China che paghiamo nelle folli bollette salate! Per liberarci, non attraverso Referendum abrogativi e politiche oscurantiste francamente incredibili nel XXI Secolo in Italia (patria del premio Nobel Enrico Fermi) una volta per tutte dei mortali gas serra che stanno letteralmente scongelando la Groenlandia e i Poli, allagando le terre emerse. Per evitare miliardi di morti, l’Antimateria è la via naturale, corretta e giusta per produrre energia infinita. Oggi noi pensiamo di vivere in un Universo apparentemente fatto di sola Materia. Tuttavia esistono anche ragazze di Antimateria. Da qualche parte, lassù, nel Cosmo. La Natura ci sorprende e meraviglia ogni giorno. Non ha preferenze e crea ciò che vuole. Anche l’Antimateria, cioè anti-Mondi, anti-Terre, anti-Stelle e così via. L’esperimento AMS-II in orbita terrestre sulla Stazione Spaziale Internazionale, è l’altro esperimento mondiale a caccia di Antimateria. La pesca è appena iniziata. Certamente esistono molti modi per scoprire l’Antimateria. Si tratta, in pratica, di effettuare una comparazione tra atomi di Idrogeno e Anti-idrogeno nel nostro campo gravitazionale. Ricordate il famoso monopattino volante inventato dagli autori del fortunato film Ritorno al futuro (Back to the future) con Michael J. Fox? Bene, siamo molto vicini alla verità. Se venissero confermate le proprietà respingenti dell’Antimateria, potremmo costruirlo davvero per la gioia dei nostri nipotini perché significherebbe che l’Antimateria ha proprietà anti-gravitazionali. Già, ma come sono stati analizzati quei 300 Anti-atomi al Cern? Usando uno speciale raggio laser a microonde per la spettroscopia ad altissima risoluzione, capace cioè di carpirne i segreti più reconditi e con la massima delicatezza. Perché Materia ed Antimateria non vanno molto d’accordo. Al solo contatto si annichilano reciprocamente generando fotoni. Cioè energia. La trappola concepita e messa a punto dagli scienziati del Cern, è in grado di ottenere anche un altro fantastico risultato complementare: quello di misurare direttamente l’influenza della gravità sull’Antimateria, obiettivo dell’esperimento AEGIS. “Ci sono significativi passi in avanti nella ricerca sull’Antimateria – rivela il direttore generale del Cern, Rolf Heuer – e siamo solo all’inizio di questa straordinaria avventura”. La Chiesa benedice e incoraggia le ricerche al servizio dell’umanità e della dignità della persona per la salvaguardia della Vita, della Pace sulla Terra e nell’Universo.  Il Vaticano non teme l’Antimateria (cf. Angeli e Demoni) che potrà un giorno aprire all’Umanità la via verso le altre stelle, ma le sue applicazioni tecnologiche che non siano al servizio della sacralità della vita e dell’umanità, unica razza sulla Terra. Si aprono finalmente prospettive molto importanti per capire com’è fatto l’Universo in cui viviamo ma anche per cercare di immaginare realmente come costruire la prima astronave interstellare entro i prossimi anni, come profetizzato da Gene Roddenberry creatore di Star Trek e da James Cameron del kolossal Avatar. La realtà della ricerca scientifica supera di gran lunga la fantasia degli autori di fantascienza. Ora spetta alle imprese fare il loro dovere, per accelerare queste ricerche ed imprimere alle scoperte la giusta rotta. Ora spetta alla Politica, alla Filosofia, alla Religione, offrire le chiavi di volta per la buona applicazione tecnologica di tali scoperte. L’Antimateria viene regolarmente usata in medicina (Positroni) ma auguriamoci di non costruire mai un ordigno ad Antimateria, perché sarebbe il primo e l’ultimo esperimento sulla Terra e nel Sistema Solare! La realtà della libera ricerca scientifica sorprende e stupisce il mondo. La fantascienza, sconfinata nel reale, è davvero nulla rispetto all’incredibile scoperta effettuata dai fisici nucleari al Cern. Nuvole di atomi di Antimateria (Antidrogeno) vengono prodotte in laboratorio. L’esperimento Alpha ha permesso la produzione in modo controllato di 300 Anti-atomi dalle qualità (carica elettrica) decisamente opposte (specchio) rispetto a quelle della materia ordinaria di cui saremmo (uso il condizionale, a ragione) fatti. Finora, solo 300 di questi atomi di Antidrogeno hanno evitato l’immediata annichilazione perché catturati in uno scenario che ricorda la saga di Star Trek. “È impensabile oggi portare l’Antimateria a spasso – osserva il fisico Andrea Vacchi dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn) – infatti è sufficiente che un atomo di Antidrogeno venga a contatto con la materia ordinaria, ad esempio con un gas o con le stesse pareti del contenitore, perché avvenga una completa annichilazione”. Ogni atomo distruggerebbe all’istante il suo corrispettivo Anti-atomo. Entrando a contatto, materia e antimateria si annullano (o annichilano) a vicenda nella più straordinaria liberazione di energia. L’annichilazione, è la massima espressione energetica prevista in Natura dopo il Big Bang (equazione di Einstein sull’equivalenza massa-energia) per la totale trasformazione della massa in energia. Nell’annichilazione tutta la massa si trasforma in energia. La notizia più importante, il cuore del risultato annunciato dal gruppo di Jeffrey Hangst, Mercoledì 17 Novembre 2010 e Domenica 5 Giugno 2011, è la possibilità di produrre l’Antimateria in quantità controllabile e sicura. La soluzione del problema del confinamento magnetico è un risultato molto significativo. Dalle particelle elementari siamo passati agli Atomi: le energie in gioco diventano considerevoli già a piccole quantità.  Occorre parcheggiare l’Antimateria con una grandissima precisione, altrimenti l’annichilazione è inevitabile. Non vi ispira il vero incipit del film Avatar, con l’astronave privata Venture Star in fase di decelerazione per l’avvicinamento al pianeta Pandora su Alfa Centauri? Questo significa che d’ora in poi saranno molti di più gli atomi di Anti-Idrogeno sotto osservazione. Diventeranno uno straordinario laboratorio per mettere finalmente a confronto l’Antimateria con la materia ordinaria, per capire cosa succede poco prima e poco dopo l’annichilazione. Si ripropone il problema focale di Scotty, il famoso ingegnere capo dell’astronave Enterprise, alle prese con le equazioni necessarie per la fase di miscelamento di materia ed antimateria nella camera di reazione grazie ai cristalli di “dilitio”. Alle giuste condizioni fisiche, tutto ok! A freddo l’Enterprise tornava indietro nel tempo. A caldo, navigava nel Cosmo a velocità ben superiori a quella della luce! Se questa è ancora fantascienza, giudichi il Lettore del futuro. Per ora, la speranza è di riuscire a risolvere uno dei più grandi rompicapi della fisica contemporanea: il perché al momento del Big Bang, circa 13 miliardi e mezzo di anni fa, la Natura abbia preferito la Materia ordinaria all’Antimateria. Attenzione alle espressioni convenzionali nella Scienza! Perché entrambe sarebbero state prodotte nella stessa quantità in modo simmetrico (al punto zero del pre-Big Bang che oggi si trova ovunque) e di conseguenza avrebbero dovuto cancellarsi a vicenda con tutto l’Universo. Tuttavia questo non è accaduto, grazie a Dio, perché una certa quantità di quella che oggi chiamiamo Materia (calcolata in una particella ogni 10 miliardi di Antimateria) è riuscita a sfuggire alla fine. E grazie a questa rottura della simmetria si è formato il mondo in cui viviamo, con i pianeti, le stelle e le galassie di materia. Che cosa sia successo effettivamente dopo il Big Bang è ancora un mistero. Ma i fisici del Cern hanno gli strumenti per fare un po’ di luce. Cos’è successo prima del Big Bang con l’approssimazione di un miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di secondo? In quell’attimo è già scritto il destino del nostro Universo. La storia di Avatar lascia sperare in un futuro migliore per la Terra. Sicuramente diversa da quella che tra 150 anni l’ex-marine Jake Sully sarà costretto a lasciare, per sostituire il fratello scienziato nella missione di esplorazione del pianeta Pandora sul sistema solare alieno di Alpha Centauri. Nel film, le analisi condotte avevano determinato la tossicità dell’atmosfera della luna per l’organismo umano ma non per gli abitanti nativi chiamati Na'vi. Questa condizione costringerà gli scienziati a creare degli esseri potenziati simili agli abitanti del pianeta (Avatar) che possono essere governati dall’uomo per compiere tutte le azioni degli umani. Pandora è un pianeta ricco di un minerale antigravitazionale capace di risolvere il drammatico problema della riduzione delle fonti energetiche e del degrado ambientale che ha portato la Terra alla catastrofe ecologica, con o senza le energie rinnovabili!  Una corporation vara la più straordinaria astronave interstellare alimentata da Antimateria. Jake si rende conto della duplice subdola natura della missione: la conquista delle fonti energetiche di Pandora è il vero scopo del viaggio. L’ex-marine dovrà decidere se stare dalla parte dei Na'vi o essere solidale con il piano di invasione terrestre. Che cosa ci condurrà sulle vicine stelle? L’Antimateria. I libri del fisico nucleare Stanton T. Friedman confermano le più rosee previsioni. L’efficienza dell’annichilazione nella conversione della massa in energia, è infinitamente più importante rispetto alla fissione e fusione nucleari. Come indicano gli studi pioneristici sul Protone del professor Antonino Zichichi, fondatore del Laboratorio Nazionale del Gran Sasso dell’Infn. Il problema è sul reale funzionamento di un reattore ad Antimateria: cosa dovrebbe fare? Come dovrebbe lavorare? Ci stiamo avvicinando alla verità. Parallelamente, potrebbe essere utile capire anche il contrario. Se cioè che noi terrestri siamo fatti in verità di Antimateria, così rara rispetto all’enorme quantità di materia ed energia oscure che permeano l’Universo. Allora sarebbe giusto pensare che quella prodotta al Cern possa effettivamente essere materia vera! Ma questa è un’altra storia. Oggi è stata varcata una porta aperta nel 1928 dal fisico Paul Dirac, che non può essere chiusa tanto facilmente. Le applicazioni tecnologiche non mancheranno di porre questioni di natura etica. Che fare dell’Antimateria prodotta? Perché produrla? Per andare dove? L’esame diagnostico PET ad emissione di Positroni (Anti-elettroni) è un’applicazione delle ricerche nucleari sull’Antimateria al servizio della salute delle persone. Se faccio esperimenti sull’Antimateria già devo sapere fin dove posso spingermi, devo cioè prefigurare gli scenari più diversi, positivi e negativi, altrimenti sarei un irresponsabile, non uno scienziato. Questo è il pensiero dominante nella comunità scientifica. Questo fu molto probabilmente il pensiero di Ettore Maiorana, precursore del ben più pacifico esperimento sul Decadimento Doppio Beta al Laboratorio Nazionale del Gran Sasso nell’esperimento astroparticellare Gerda. Maiorana, il più grande scienziato italiano, scomparso nel nulla degli Anni Trenta nel secolo scorso, aveva forse capito tutto. Nagasaki: non pochi chili di Plutonio, ma pochi grammi di Antimateria! Fatto sta che la trappola di Antimateria al Cern funziona molto bene: le due nuvole di Anti-protoni e Anti-elettroni, originate da una sorgente radioattiva, si sono effettivamente incontrate a temperature prossime allo zero assoluto creando nel vuoto migliaia di atomi di Antidrogeno. Arrestare per mille secondi il processo di annichilazione tra atomi ed Anti-atomi stabili e neutri, è un messaggio molto forte. Con questi piccoli Anti-mondi che si annichilano scomparendo non più improvvisamente al contatto con la materia ordinaria, d’ora in poi tutto è possibile.  E il totalmente inatteso ci aspetta al varco: tunnel spaziali, buchi neri, porte del tempo, motori di astronavi, finestre su mondi-specchio ovvero sulla Terra del passato, magari su pianeti alieni che hanno contemporaneamente aperto un altro stargate. Chi può dirlo? Tutto ebbe inizio nel 1995 quando al Cern, utilizzando l’elemento più abbondante nel Cosmo, l’Idrogeno (un protone e un elettrone) furono creati i primi nove atomi artificiali di Anti-Idrogeno. Poi nel 2002 gli esperimenti Athena ed Atrap mostrarono che era possibile produrre Antidrogeno in grandi quantità, aprendo la possibilità di condurre studi molto più dettagliati sulla natura dell’Universo. Il successo dell’esperienza Alpha è il passo più significativo compiuto nel processo di immagazzinamento dell’Antimateria sulla Terra. Come sulla USS Enterprise di Star Trek e sull’Interstellar Venture Star di Avatar, il problema è il confinamento dell’Antimateria circondata dalla materia. Poiché il contatto (ahinoi, mai baciare una ragazza di Antimateria!) tra materia ed Antimateria è letale, gli atomi di Anti-Idrogeno vivono pochissimo nel nostro Universo. Ma l’Uomo è riuscito a ritardare il loro trapasso! Aumentando la vitalità dell’Antimateria sulla Terra. Questa è la notizia focale. Come? Grazie a speciali campi magnetici che con la loro forza costringono l’Antimateria a stare lontana dalla materia. Se a malincuore dobbiamo ammettere che è impossibile baciare la più bella ragazza di Antimateria dell’Universo, non dobbiamo perdere la speranza di poterlo fare un giorno, magari diventando di Antimateria! L’esperimento Ams-II sulla Stazione Spaziale Internazionale, frutto di una collaborazione scientifica internazionale voluta fortemente dal prof. Antonino Zichichi, presidente della Federazione Mondiale degli Scienziati, sta cercando l’Antimateria nei raggi cosmici. È già caccia grossa per scovare i pesanti atomi di Anti-Elio. Forse un giorno incontreremo sicuramente ragazze di Antimateria su Anti-mondi illuminati da Anti-stelle. L’esperimento Alpha al Cern di Ginevra ha mostrato il metodo per far sopravvivere 300 atomi di Antidrogeno almeno per mille secondi. Un’eternità solo alcuni anni fa. Che cosa accadrà quando riusciremo a confinare l’Antimateria per ore, giorni ed anni? Al Cern il programma prosegue. L’esperimento Asacusa mostra una nuova tecnica per la produzione di Anti-Idrogeno, da far impallidire gli autori di Star Trek. In un lavoro scientifico dato alle stampe sul Physical Review Letters, viene annunciato il successo di un metodo di creazione dell’Antimateria, definito Cusp trap, il precursore essenziale per fabbricare un intenso raggio laser ad Antimateria! Siamo davvero all’interno della fantascienza più fantastica e reale di sempre. Asacusa promette davvero scintille ad annichilazione controllata: questa tecnica servirà per studiare i segreti dell’Antimateria in tempi molto più lunghi, come sostiene Yasunori Yamazaki del Japan’s Riken Research Center, membro della collaborazione scientifica Asacusa: “c’è ancora molta strada da fare, ma siamo molto felici di vedere come lavorano bene queste diverse tecniche di produzione di antimateria”. Un’altra importante conseguenza della cattura di Anti-Idrogeno per lunghi periodi di tempo è che gli Anti-atomi hanno tutto il tempo di “rilassarsi” nel loro nuovo ambiente terrestre, consentendo all’esperimento Alpha di effettuare misure estremamente precise sulla Simmetria CTP. Le simmetrie in fisica descrivono i processi naturali sotto la lente d’ingrandimento delle loro trasformazioni. La simmetria C, ad esempio, ha a che fare con le cariche elettriche delle particelle coinvolte. La simmetria P osserva l’Universo in uno specchio per capire cosa accade ai fenomeni naturali, a tutti noi, nello scorrere del tempo. I processi naturali non sempre appaiono gli stessi, cambiando il punto di vista dell’osservatore. Si dice allora che le simmetrie, alcune o tutte, vengano violate in certi processi naturali quando l’osservazione passa dall’infinitamente piccolo all’infinitamente grande. Ora, la Simmetria CTP dice che una particella che si muova avanti nel tempo (cf. studi di Stephen Hawking, Carlo Rubbia, Peter Higgs e Leonard Susskind) nel nostro Universo dovrebbe essere indistinguibile da una particella che si muova indietro nel tempo in un Universo speculare. Lo si afferma per sostenere il rispetto totale e perfetto delle Leggi di Natura che non si possono infrangere. Almeno nel nostro Universo. Non sappiamo se altrove accade lo stesso. Ma la Simmetria CTP richiede che sia l’idrogeno sia l’Antidrogeno abbiano lo spesso spettro chimico-fisico. “Ogni violazione della Simmetria CTP implicherebbe un serio ripensamento della nostra comprensione della Natura – fa notare il fisico Hangst – e poiché metà dell’Universo in cui viviamo manca all’appello perché ancora ignoto, abbiamo ragione di credere che il ripensamento sarà inevitabile, quindi lo mettiamo subito in programma”. Il prossimo goal di Alpha è quello di perfezionare le analisi sugli Anti-atomi intrappolati, illuminandoli con speciali microonde per determinare se l’Antimateria assorbe esattamente le stesse frequenze o energie della materia ordinaria. “Se colpisci l’Anti-Idrogeno con la giusta frequenza di microonde allora gli Anti-atomi fuggiranno via dalla trappola e potremo misurarne ogni singola annichilazione – osserva Hangst – riuscendo così a osservare la struttura dell’Anti-Idrogeno, l’elemento numero Uno della tabella periodica di Antimateria”. D’altra parte non c’è tempo da perdere. La Terra entro i prossimi 15 anni potrebbe essere costretta a liberare ben altre energie contro l’Uomo. I nuovi dati annuali presentati da Nasa e Noaa non lasciano più dubbi. Il 2013 è stato uno degli anni più caldi di sempre e il cambiamento climatico della Terra sta peggiorando. Nelle ultime settimane il panorama della città di Asheville è stato lo stesso di gran parte della North Carolina (Usa). Tempeste di neve, temperature rigide, venti freddi, strade ghiacciate, scuole chiuse, linee elettriche interrotte. La città è anche la sede del National Climatic Data Center, uno dei centri della National Oceanic and Atmospheric Administration, l’Agenzia federale statunitense che si occupa di meteorologia. I dati scientifici presentati la settimana scorsa da Noaa e Nasa dimostrano come il 2013 sia stato uno dei 10 anni più caldi di sempre e come ci sia una buona probabilità che il 2014 possa essere ancora più caldo. Ma non c’è più alcuna vera contraddizione in questo fenomeno: il freddo anomalo che stanno soffrendo diverse regioni degli Stati Uniti e le evidenze scientifiche di una tendenza continua al riscaldamento globale, non sono fatti inconciliabili. Le anomalie statistiche come quelle delle tempeste americane non vanno confuse con il trend generale dei cambiamenti climatici in corso: tempo e clima sono cose differenti. I dati presentati mostrano come lo studio aggiornato ogni anno dell’andamento delle temperature continui a fornire evidenze indiscutibili in questo senso. Sul banco degli imputati c’è sempre l’anidride carbonica che nasce come gas serra naturale ma che a causa delle attività umane conosce oggi una sovrapproduzione mai vista. La CO2 è presente nell’atmosfera in percentuale mai così alta negli ultimi 800mila anni. Il fatto che il clima della Terra si riscaldi non porta necessariamente a un aumento annuale delle temperature anche d’Inverno. Al di là delle fluttuazioni che si possono registrare nel breve termine, è nel lungo termine che i dati scientifici mostrano come l’aumento dei livelli di gas serra nell’atmosfera terrestre stia portando all’aumento delle temperature globali. Ed è quindi di decennio in decennio, e non di anno in anno, che la Terra continua a riscontrare temperature ogni volta sempre più alte. Stiamo bruciando a fuoco lento, come la classica “inconsapevole” rana! A causa dell’ignoranza dei potenti. Il 2013 è stato un anno esemplare. La temperatura media è stata infatti di 14,6 gradi Celsius, ovvero 0,6 gradi Celsius in più della temperatura media del XX Secolo. Il che fa del 2013 il 37mo anno consecutivo in cui le temperature sono al di sopra della media di riferimento. La temperatura media globale è aumentata di circa 0,8 gradi Celsius dal 1880 e, secondo la nuova analisi, per alcuni Paesi come l’Australia il 2013 è stato l’anno più caldo mai registrato. “Le tendenze a lungo termine delle temperature di superficie sono insolite e il caso del 2013 si aggiunge alle prove del cambiamento climatico in corso – rivela Gavin Schmidt, climatologo del Goddard Institute for Space Studies della Nasa – mentre un anno o una stagione possono essere influenzati da eventi meteorologici casuali, quest’analisi mostra la necessità di continuare il monitoraggio a lungo termine”. Nell’infinitamente piccolo, a temperature bassissime, quasi pari allo zero assoluto, alcune particelle si uniscono in gruppo, comportandosi come un’entità unica e perdendo le differenze individuali rispetto allo “spin”, cioè la rotazione, una proprietà fisica che concorre a definire il loro stato quantico. È la sorpresa di inizio anno 2014 che arriva dall’Institute of Laser Physics dell’Università di Amburgo (Germania) in collaborazione con l’Institute of Photonic Sciences di Barcellona (Spagna). I ricercatori hanno analizzato il comportamento di un gas ultrafreddo di Fermioni, un particolare tipo di particelle fisiche con “spin” semi-intero, facendoli collidere tra loro. Il risultato è stato pubblicato su Science. Contrariamente alle loro abitudini che li vedono isolarsi in maniera regolare, le particelle si comportano come se fossero macchine in un ingorgo stradale, uccelli in uno stormo oppure dune di sabbia. Sistemi in cui il comportamento collettivo gioca un ruolo cruciale, dato che tutti i componenti del gruppo si muovono, volontariamente o meno, in maniera contemporanea e simultanea. È la Natura. In generale, le particelle si dividono in Bosoni e Fermioni. Quelle che hanno spin intero, pari a numeri interi ovvero a zero, si definiscono Bosoni. Quelle con spin semi-intero, frazionario, sono Fermioni. Dalle conoscenze di fisica, mentre i bosoni tendono ad ammassarsi quanto più possibile nello stato più basso in energia (il più conveniente), al contrario i fermioni non si raggruppano ma si distribuiscono dividendosi ordinatamente nei vari stati fisici secondo il Principio di esclusione di Pauli, fino a riempire l’ultimo stato disponibile. Sembra che i bosoni siano più socievoli perché tendono a stare uniti, mentre i fermioni siano più solitari dato che ognuno preferisce stare nel suo stato. La materia che noi vediamo, la nostra, è costituita di fermioni. Ma i ricercatori sono sempre pronti a stupirsi osservando che quando particelle con valori di spin molto alto collidono tra loro, l’esito di questa collisione è un cambiamento dello spin del singolo fermione. Così tali particelle, come in un tutt’uno, al contrario di prima, si comportano ora in maniera collettiva, stabilizzando il gas attraverso queste oscillazioni dello spin, protratte nel tempo e di grande ampiezza. “In generale, i fermioni, a causa del Principio di Pauli, sono individualisti, non amano comportarsi nello stesso modo gli uni con gli altri – osserva il prof. Maciej Lewenstein – in questo caso, tuttavia, qui essi si uniscono mostrando un sorprendente comportamento collettivo”. L’effetto svanisce anche con una lievissima variazione della temperatura: un fenomeno quantistico che è molto sensibile a qualsiasi perturbazione esterna. Gli scienziati hanno ottenuto fermioni ultrafreddi, intrappolando, mediante una luce laser, un particolare gas quantistico degenere (la cui pressione non è legata alla temperatura) contenente atomi di Potassio (quello delle banane e delle patate) che è stato raffreddato a temperature bassissime, prossime allo zero assoluto. Per effettuare l’esperimento e osservare il comportamenti dei fermioni, all’interno del gas i ricercatori sono riusciti a creare differenti gruppi di spin mediante una dinamica, attraverso l’uso di bassi campi magnetici, che induce una variazione nelle particelle di questa proprietà fisica. Il risultato è interessante. Attraverso un’azione controllata di differenti processi fondamentali che stimolano o sopprimono il comportamento collettivo, gli scienziati sono in grado di individuare nuovi percorsi per studiare fenomeni fisici esotici solitamente inaccessibili. Come la creazione di strutture topologiche, particolari strutture matematiche, oppure di gas quantistici degeneri ad alto spin o ancora di future applicazioni, quali sensori quantistici per realizzare il più piccolo campo magnetico esistente. Magari in batterie all’Antimateria! Al Laboratorio Nazionale del Gran Sasso dell’Infn si apre un nuovo capitolo nell’accesa corsa all’individuazione della Materia Oscura: l’elusivo ingrediente che, secondo le attuali teorie, costituisce circa il 25 per cento della massa totale dell’Universo e che non è ancora stato identificato né caratterizzato. Gli scienziati per ora possono solo fare ipotesi e sperano che gli esperimenti più recenti diano finalmente indicazioni certe sulla natura della Materia Oscura. I primi promettenti risultati di LUX (Large Underground Xenon experiment), l’apparato installato nel cuore di una miniera d’oro nel Sud Dakota degli Stati Uniti, non ha certo scoraggiato gli scienziati europei, asiatici ed americani. In quest’avvincente sfida c’è anche DarkSide-50, un rivelatore recentemente entrato in funzione in una delle camere sotterranee dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare nella Regione Abruzzo (Italia), sotto il Re degli Appennini. DarkSide-50 è stato progettato per individuare le sfuggenti WIMPs, particelle massicce debolmente interagenti con la materia ordinaria che, secondo alcune teorie, sono tra le maggiori indiziate quali costituenti della Materia Oscura. E come il suo collega d’oltreoceano, DarkSide-50 è stato installato nelle viscere di una montagna per ridurre al minimo effetti spuri dovuti ai raggi cosmici. Il programma di ricerca vede un’ampia collaborazione internazionale, con 17 Istituti americani, l’Infn ed altri centri in Italia, Francia, Polonia, Ucraina, Russia e Cina. “Viviamo un po’ la situazione della ricerca del Bosone di Higgs come era 10 anni fa – rivela Peter Meyers, professore di fisica all’Università di Princeton e uno degli scienziati alla guida del progetto – abbiamo una buona idea di cosa cercare, ma non sappiamo esattamente dove o quando la troveremo”.  Così lavora la Scienza che si affida al totalmente inatteso. “L’Infn ha contribuito in maniera determinante all’installazione dell’esperimento DarkSide-50 in quello che è uno dei suoi laboratori di eccellenza – osserva Gioacchino Ranucci dell’Infn di Milano – DarkSide-50 rappresenta un altro tassello della fattiva, pluriennale cooperazione Italia-Usa al Gran Sasso, culminata in particolare nello sviluppo di tecniche di rivelazione di particelle a livelli di radiopurezza mai raggiunti in precedenza ed ampiamente riutilizzate e potenziate nella costruzione dell’apparato”. Per riuscire a catturare la Materia Oscura è stato progettato un sistema composto da un rivelatore a doppio stadio contenente 38 litri di Argon puro liquefatto raffreddato fino alla temperatura di meno 186 gradi Celsius. La parte attiva del rivelatore, avvolta in una struttura di Teflon, contiene 150 chilogrammi di Argon, di cui 50 attivi, da qui il nome DarkSide-50. Nella parte superiore e inferiore del recipiente che accoglie il rivelatore, sono state installati i foto-rivelatori in grado di captare la luce prodotta dall’urto di una particella WIMP con gli atomi ultrapuri di Argon. Tutto il dispositivo è alloggiato all’interno di una sfera di acciaio delle dimensioni di una stanza e riempita con 30mila litri di liquido scintillatore. A sua volta la sfera è sospesa tramite dei supporti all’interno di un grande serbatoio cilindrico alto 10 metri e con un diametro di 11 riempito con un milione di litri di acqua depurata. Questa complessa architettura è stata pensata per ridurre al minimo tutte le interferenze nel rivelatore prodotte da fenomeni non riconducibili alle interazioni di WIMPs, come particelle associate ai raggi cosmici, prodotte dalla radioattività naturale presente nelle rocce o addirittura nei materiali di cui è composto l’apparato rivelatore. Così, il segnale prodotto da una WIMP (Materia Oscura) che impatta un nucleo di Argon (materia ordinaria) viene registrato solo dal rivelatore a doppio stadio di DarkSide-50. Mentre altre particelle in transito nell’apparato, come Neutroni e Muoni, possono interagire sia con l’Argon sia con il liquido scintillatore o l’acqua. Il controllo della coincidenza temporale con cui questi segnali verranno registrati nei vari ambienti dell’apparato, permetterà agli scienziati di distinguere le WIMPs dalle altre particelle. “Il progetto è innovativo in tutte le sue componenti – rivela Cristiano Galbiati, professore all’Università di Princeton – il nostro obiettivo è dimostrare che l’Argon da sorgenti sotterranee è l’elemento migliore per la caccia alla Materia Oscura, grazie al supporto di Infn, Nsf e Doe”. Se parliamo di fisica particellare, ormai il protagonista assoluto oggi è il famoso Bosone di Higgs. Dai primi risultati alla sua scoperta, fino ad arrivare al Nobel assegnato nel 2013 a Peter Higgs e Francois Englert, la particella più divulgata al mondo ha tutte le caratteristiche di una star di Hollywood in attesa di Oscar.  E così, nell’entusiasmo generale di quello che è diventato un vero e proprio caso mediatico, è stata forte la tentazione di credere che tutti i misteri del mondo subnucleare fossero stati svelati. Non è così. Un gruppo di ricerca chiamato MIMD Lattice Computation (MILC) Consortium, che studia proprio le particelle su cui ancora c’è molto da scoprire, come i Mesoni, i Quark e i Gluoni: gli elementi che compongono i più familiari Protoni e Neutroni. MIMD significa “Multiple Instruction, Multiple Data”. È un’architettura parallela in cui diverse unità effettuano diverse elaborazioni su dati diversi. È il meccanismo che regola tutti i sistemi multiprocessore, in grado di svolgere molteplici funzioni nello stesso tempo. Il MIMD Lattice Computation Consortium, squadra internazionale di fisici, da quarant’anni utilizza super computer di ultima generazione per simulare le condizioni all’interno dei nuclei degli atomi, in modo da determinare le masse e le proprietà di decadimento dei componenti meno conosciuti della materia. In particolare, indagano la cosiddetta Teoria della Cromodinamica Quantistica (QCD, quantum chromodynamics) che descrive l’Interazione Forte (una delle quattro Forze fondamentali in Natura) della fisica subatomica. Spiega cioè l’interazione che può essere osservata tra Protoni e Neutroni per formare i nuclei degli atomi e, in scala più piccola, l’interazione tra i Quark per formare Protoni, Neutroni e altre particelle. Teorizzata per la prima volta da David Politzer, Frank Wilczek e David Gross nei primi anni ’70 del XX Secolo, ipotesi che valse loro il Nobel per la Fisica nel 2004, la QCD è la Teoria fondamentale che regola il comportamento dei Quark e della loro “colla” che li tiene uniti, i Gluoni, all’interno dei nuclei atomici. Il consorzio MILC utilizza simulazioni numeriche su grandissima scala per studiare la Cromodinamica Quantistica. Grazie al metodo su “reticolo”, un sistema discreto che tratta lo spazio e il tempo come punti su una griglia da cui è possibile ricavare informazioni sulle particelle. Si tratta ovviamente di un esperimento virtuale: fissando i parametri spazio-temporali sul reticolo, si studia la loro evoluzione e si traggono considerazioni generali estendibili dal mondo computazionale artificiale a quello subatomico e reale. Detta così, sembra quasi facile. Ma c’è un ostacolo fondamentale: i Quark che hanno una massa talmente piccola da non poter essere considerati singolarmente. Un problema aggirabile dai moderni modelli computazionali, se non fosse che i Quark più leggeri che formano Protoni e Neutroni non sono paragonabili a nessun’altra massa. E questo li rende molto difficili da isolare, persino al computer. La novità introdotta dal MILC sta proprio nel loro modello cromodinamico che utilizza reticoli estremamente piccoli, in grado per la prima volta di approssimare le masse vere dei Quark. “Fino a uno o due anni fa, non eravamo in grado di far girare le simulazioni delle masse fisiche dei Quark più leggeri: dovevamo utilizzare masse più grandi – rivela Robert Sugar del MILC all’Università della California – adesso invece i computer e gli algoritmi si sono potenziati, e così possiamo simulare le masse reali dei Quark. Questo è stato un enorme passo in avanti”. In un recente studio, Sugar e colleghi hanno calcolato il decadimento dei Kaoni, i mesoni K, un tipo di particelle particolarmente instabili nel nostro Universo, utilizzando la QCD su reticolo e lavorando, per la prima volta, con le masse dei Quark più leggeri. Per il MIMD Lattice Computation Consortium “questo è solo l’inizio, nei prossimi mesi la tecnica verrà applicata ad altri modelli simulativi. In modo da fare ulteriori progressi verso la comprensione dell’infinitamente piccolo”. Il messaggio elaborato al Cern di Ginevra è forte e chiaro. C’è un “Anti” per tutti gli elementi chimici della famosa Tabella periodica degli elementi ideata nel 1869 da Mendeleev. Si può essere anti-nuclearisti della fissione e delle radiazioni mortali post Fukushima, ma oggi facciamo l’Antimateria e la immagazziniamo. Non possiamo imitare gli struzzi, pena la perdita della nostra libertà, sovranità e indipendenza. Oggi il mercato dell’Antimateria può giustamente inaugurare il suo nuovo inizio. © Nicola Facciolini

 

Cerca nel sito

Contatti

Italydee via L. Ori 1/B
Civitanova Marche
62012 (MC)
0733 70336 cell. 334 6733765