Antimateria in trappola

Il recente risultato sperimentale pubblicato su Nature dall’esperimento ALPHA del CERN, relativo alla cattura di atomi di antiidrogeno in una trappola magnetica per tempi di circa 16 minuti, costituisce un importante passo avanti nelle ricerche volte a sintetizzare in laboratorio antimateria allo stato atomico. La misura segue di alcuni mesi la notizia dell’identificazione, sempre da parte di ALPHA, di 38 atomi intrappolati per tempi molto più brevi (172 ms) e testimonia i notevoli progressi che si stanno facendo presso l’acceleratore AD (Antiproton Decelerator) del CERN, un laboratorio unico per lo studio della fisica degli antiprotoni di bassa energia e per la produzione di atomi di antiidrogeno.

Il confinamento di atomi di antiidrogeno per tempi lunghi è stato possibile grazie ad una speciale “bottiglia magnetica”, una trappola costituita dalle espansioni polari di un magnete che genera un campo magnetico fortemente disomogeneo: gli atomi, prodotti facendo interagire antiprotoni e positroni a bassissime temperature, rimangono intrappolati nella regione di minimo del campo, dove possono essere mantenuti per i tempi indicati. Gli atomi di antiidrogeno sono successivamente liberati e identificati attraverso la rivelazione delle particelle prodotte dalla loro annichilazione.

Disporre di atomi di antiidrogeno intrappolati è fondamentale per poterne studiare le caratteristiche, in particolare per verificare la simmetria CPT che prevede, per idrogeno e antiidrogeno, l’identità della struttura dei livelli energetici. La spettroscopia di precisione di questi sistemi, sia con microonde che con luce laser, rimane infatti l’obiettivo a lungo termine di questo esperimento e, nonostante la misura non sia dietro l’angolo e molto lavoro sia ancora necessario prima di arrivarvi, il risultato pubblicato è sicuramente un passo deciso in questa direzione.

L’atomo di antiidrogeno fu prodotto per la prima volta nel 1996 all’acceleratore LEAR del CERN e successivamente nel 2002 da parte degli esperimenti ATHENA e ATRAP ad AD: in particolare le tecniche studiate e sviluppate da ATHENA, un esperimento a guida italiana finanziato anche dall’INFN, hanno permesso di caratterizzare il meccanismo di ricombinazione dell’antiidrogeno e di ottimizzarne la produzione. Queste ricerche sono alla base del risultato di ALPHA, ma anche di altri esperimenti sull’ antiidrogeno presenti ad AD, come AEGIS che vede la partecipazione dell’INFN e di ricercatori italiani, ATRAP, a conduzione americana e ASACUSA, coordinato dal Giappone. Tra questi, AEGIS ha l’obiettivo di produrre atomi di antiidrogeno, ma non di confinarli in una trappola bensì di accelerarli in modo da produrre un fascio di cui studierà il comportamento gravitazionale: questo permetterà di verificare, per la prima volta, in modo diretto, che materia e antimateria cadono con la stessa accelerazione, come previsto dalla Relatività Generale. ATRAP studia invece i diversi meccanismi di produzione dell’ antiidrogeno in trappola, mentre ASACUSA ne analizza il processo di formazione in volo.

La motivazione di questi studi risiede in uno dei problemi che la Fisica di oggi deve affrontare: l’asimmetria tra materia e antimateria che si osserva nell’ Universo attuale. La Teoria del Big Bang prevede infatti la creazione di un’uguale quantità di materia e di antimateria nell’Universo primordiale, ma l’antimateria quando viene a contatto con la materia annichila ed entrambe vengono distrutte. Pertanto nulla di quello che si osserva dovrebbe esistere. Dopo il Big Bang deve esserci stata un’asimmetria tra materia e antimateria che ha determinato la dominanza della prima sulla seconda.

La fisica dell’antimateria è quindi un argomento di grande interesse e di estrema attualità: è auspicabile che le analisi degli esperimenti con l’antiidrogeno all’ Antiproton Decelerator del CERN, tra loro complementari, portino presto a ulteriori risultati in questo affascinante campo di ricerche.

- The ALPHA Collaboration. Confinement of antihydrogen for 1,000 seconds. Nature Physics, published online 05 June 2011, doi:10.1038/nphys2025
- Press release del CERN sull'esperimento