Viviamo in un universo fatto di materia. Ma al momento del Big Bang, materia e antimateria esistevano in egual misura. Che l'antimateria sia quasi scomparsa suggerisce che la natura, per qualche ragione, ha una forte preferenza per la materia. I fisici vogliono sapere perché la materia ha sostituito il suo gemello di antimateria, e questa settimana la collaborazione con ALPHA al CERN ha fatto un passo avanti per svelare il mistero.
ALPHA, un esperimento collaborativo internazionale istituito nel 2005, è stato progettato per intrappolare e misurare le particelle di antiidrogeno con un esperimento appositamente progettato. Sta riprendendo da dove si era interrotto il suo predecessore alla ricerca di antimateria, ATHENA. Il focus è sull'antiidrogeno perché l'idrogeno è l'elemento più diffuso nell'universo e la sua struttura è estremamente ben nota agli scienziati.
Ogni atomo di idrogeno ha un elettrone in orbita attorno al suo nucleo. Lanciare luce sugli atomi eccita l'elettrone, facendolo saltare in un'orbita più lontana dal nucleo prima che si rilassi e ritorni alla sua orbita di riposo emettendo luce nel processo. La distribuzione di frequenza di questa luce emessa è nota; è stato misurato con precisione e, nel nostro universo fatto di materia, è unico per l'idrogeno.
Un'illustrazione di idrogeno e antiidrogeno. Credito: USAF
La fisica di base impone che il gemello di antimateria dell'idrogeno, l'antiidrogeno, dovrebbe essere ugualmente riconoscibile avendo uno spettro identico. Cioè, se tutto ciò che sappiamo sulla fisica delle particelle è giusto. Catturare e misurare lo spettro dell'antiidrogeno è l'obiettivo principale del gruppo ALPHA.
ALPHA ha effettuato le prime modeste misurazioni dell'antiidrogeno. Nell'apparato ALPHA, l'antiidrogeno è intrappolato da una disposizione di magneti che influenzano il campo magnetico degli atomi. Le microonde sintonizzate su una frequenza specifica puntata su questi atomi di antiidrogeno invertono il loro orientamento magnetico, liberandoli. L'antiidrogeno liberato incontra l'idrogeno mentre fuoriesce e i due si annichilano a vicenda, lasciando uno schema ben noto nei rivelatori di particelle che circondano l'apparato.
L'apparato ha catturato la prova delle orbite di salto degli elettroni in un atomo di antiidrogeno dopo che la radiazione a microonde ha cambiato il suo stato interno. Il risultato dimostra ulteriormente la validità dell'approccio di ALPHA, dimostrando che l'apparato ha un controllo e una sensibilità sufficienti per eseguire con successo l'esperimento per cui è stato progettato. In futuro, ALPHA si concentrerà sul miglioramento della precisione delle sue misurazioni a microonde per scoprire lo spettro dell'antiidrogeno utilizzando i laser.
I risultati entusiasmanti erano difficili da ottenere poiché l'antiidrogeno non esiste in natura. È prodotto nell'apparato ALPHA da antiprotoni che sono a loro volta prodotti nell'Antiproton Decelerator e positroni da una sorgente radioattiva. E deve avere un livello di energia sufficientemente basso da rimanere intrappolato per le misurazioni. Ma funziona e potrebbe dare ai fisici la chiave di cui hanno bisogno per comprendere il mistero dell'universo primordiale.