Quando materia e antimateria s’incontrano

La scoperta scientifica dell’antimateria nella prima metà del XX secolo ha segnato, tra le altre cose, la nuova era della fantascienza: questo perché le ipotesi della sua esistenza, nonché la scarsa mole di informazioni che potessero descriverla, hanno dato modo agli scrittori più fantasiosi di spingersi oltre ogni limite con la loro immaginazione.

Eppure, oggi sembra che l’antimateria, in un futuro non così lontano, potrebbe rivelarsi l’elemento di svolta del mondo tecnologico e scientifico.

Perché quest’affermazione? Cominciamo con le presentazioni: l’antimateria altro non è che la quasi-gemella della materia che noi tutti conosciamo, ma anziché essere formata da particelle, atomi ed elementi è costituita da antiparticelle, antiatomi e antielementi. Quindi, ogni particella di materia ha un’antiparticella corrispondente nell’antimateria, e, quando queste interagiscono, si annichilano reciprocamente, sprigionando un’enorme quantità di energia.

Dato che dall’interazione ne vien fuori il reciproco annullarsi, risulta assai difficile avere a che fare con l’antimateria corrispondente ad una data materia, e le uniche sue fantasiose applicazioni, sulla scia dei continui progressi della fisica della particella, trovano voce in racconti quali Ciclo dei robot di Isaac Asimov o nella serie televisiva Star Trek.

Studiare la materia per capire l’antimateria

Si è detto che materia e antimateria possono essere definite quasi-gemelle. Risulta quindi chiaro che per scovare le più nascoste proprietà di antimateria, per poterla immaginare, o addirittura per poterle dare una forma, è necessario capire a fondo il concetto di materia.

Secondo una definizione classica, il concetto di materia ingloba tutto ciò che ha una massa, occupa uno spazio, perdura nel tempo ed è percepibile ai sensi. Noi siamo materia, il dispositivo attraverso il quale stiamo leggendo questo articolo è materia, l’aria che ci circonda è materia.

Volendo dare alcune definizioni in ordine crescente di dimensione, potremmo dire che vi sono le particelle subatomiche che si combinano per formare atomi, che a loro volta danno vita agli elementi, dalla cui interazione prendono vita le molecole, e così via, fino a pervenire ai corpi più grandi dell’universo: tutto questo è materia.

Le particelle subatomiche sono, detto tra le righe, in continuo aumento, nel senso che le scoperte scientifiche permettono continuamente di identificarne di nuove; esse sono tutte classificate e differenziate in base alle loro uniche proprietà (tra le quali massa, carica elettrica e momento magnetico). Le più conosciute sono le particelle subatomiche che costituiscono l’atomo, ossia il protone, il neutrone e l’elettrone.

Com’è fatta la materia

I protoni  ed i neutroni si trovano nel nucleo dell’atomo, e sono tenuti insieme da legami realizzati da una delle forze fondamentali della natura, la cosiddetta interazione nucleare forte. Inoltre, grazie alle loro dimensioni nel nucleo si concentra la maggior parte della massa dell’atomo.

Infatti, l’elettrone, che è dotato di carica negativa e si trva al di fuori del nucleo, non partecipa quasi per nulla alla massa atomica, essendo esso 1836 volte più piccolo rispetto ad un protone. Ma, dal canto loro, gli elettroni sono responsabili di quasi tutto il volume dell’atomo.

Per andare un po’ più nello specifico nel concetto di atomo, vi è inoltre da precisare che gli elettroni possono orbitare in poche regioni permesse e non è possibile delineare traiettorie ben precise; in sostanza, essi viaggiano sugli orbitali atomici, ossia le regioni di spazio in cui la probabilità di trovare un elettrone, secondo opportune leggi, è massima.

Allo stato elementare gli atomi sono neutri. In realtà i neutroni sono le sole particelle subatomiche costituenti l’atomo ad essere sprovviste di carica, mentre protoni ed elettroni sono rispettivamente positivi e negativi: i segni delle cariche non corrispondono ad una proprietà positiva o negativa, ma sono solo convenzioni per indicare che tali cariche sono opposte.

Altra importante proprietà dell’atomo, e in particolare degli elettroni, è il momento magnetico: si tratta di una proprietà dovuta al fatto che gli elettroni sono in continuo movimento e per tale motivo producono un campo magnetico. Il momento magnetico è responsabile dell’interazione degli elettroni con altre particelle o atomi dotati di magnetismo.

La continua interazione tra atomi comporta uno scambio di elettroni, che ogni elemento tende ad acquistare o cedere a seconda delle sue proprietà: in questo modo l’atomo stesso acquisirà una carica con segno positivo oppure con segno negativo. È proprio grazie a questa tendenza che gli atomi si combinano con altri atomi dando vita alle strutture di cui è costituita la materia che noi tutti conosciamo.

In sintesi, la materia ordinaria è costituita da particelle che hanno una massa, una carica e un momento magnetico ben precisi, e si combinano tra loro per dare luogo a forme di materia sempre più complesse.

L’antimateria

Perché allora materia e antimateria vengono definite quasi-gemelle? La risposta è insita nel fatto che ad ogni particella di materia si può associare un’antiparticella con le medesime proprietà fondamentali di cui almeno una di segno opposto. Ogni particella (tranne il fotone) possiede nell’antimateria una rispettiva antiparticella, che avrà ad esempio la carica opposta oppure un diverso momento magnetico.

Un antiatomo è dotato di antiprotoni all’interno del suo nucleo, che sono identici ai protoni se non per il fatto che sono dotati di carica negativa. Le antiparticelle degli elettroni sono invece i positroni (gli unici ad avere un nome caratteristico senza il prefisso “anti”), dotati di carica positiva. Ed infine vi sono gli antineutroni, uguali in ogni proprietà ai neutroni se non per il fatto di avere momento magnetico opposto.

Come comprendiamo l’esistenza dell’antimateria? Sembra un gioco di parole, ma la denominazione antimateria emerge proprio dal fenomeno di annichilazione delle coppie particella-antiparticella: la loro interazione lascia come unica traccia della loro esistenza un’enorme emissione di energia. Ciò spiega inoltre quanto sia difficile reperire “in senso pratico” antiparticelle di antimateria, che al solo contatto con particelle corrispondenti nella materia si annullano.

L’esplosivo incontro tra materia e antimateria

La massa delle particelle interagenti determina il quantitativo di energia sprigionato, come contemplato da Albert Einstein nella legge:

Che esprime che la massima quantità di energia (E) ottenibile da un corpo a riposo è pari al prodotto tra sua massa (m) e la velocità della luce al quadrato nel vuoto (c=299792458): è sufficiente l’annichilazione di una massa minima per generare energia inimmaginabilmente grande.

Questa formula, oltre a dar luogo a numeri per esprimere l’energia emessa, ingloba un concetto importantissimo: energia e massa non si creano né si distruggono, ma si trasformano l’una nell’altra, cioè rappresentano una stessa grandezza sotto due forme differenti.

Le leggi della teoria della relatività ristretta, sotto opportune ipotesi, posso essere sostituite della meccanica newtoniana, in modo che le energie sprigionate dai corpi possono essere calcolate dipendentemente dal fenomeno in gioco.

Ad esempio, l’energia cinetica di un corpo in moto è determinata dalla legge

conoscendone la massa e la sua velocità. Ora, se due automobili di 1000kg ciascuna si scontrano frontalmente alla velocità di 100 km all’ora l’energia cinetica prodotta dall’impatto provocherebbe danni ad entrambi i veicoli. Ma se le due automobili fossero rispettivamente materia e antimateria l’annichilazione darebbe luogo ad un’energia tale da provocare danni su scala planetaria.

Questo accade perché l’interazione materia-antimateria permette di trasformare in energia quasi il 100% della massa coinvolta, mentre praticamente ancora non è stata realizzata alcuna emissione di energia simile: basti pensare che le bombe a idrogeno, le più potenti mai conosciute, convertono solo l’1% della propria massa in energia.

Uno dei tanti motivi per cui lo studio dell’antimateria è costantemente al centro dell’attenzione è proprio per i benefici che possono derivarne. La massa di un’automobile sarebbe sufficiente a ricoprire il fabbisogno di tutto il pianeta per un anno intero, oppure con il peso della millesima parte di un foglio di carta si potrebbe mettere in orbita attorno alla Terra un peso di alcune tonnellate.

Ma come si suol dire, “da usare con parsimonia!”: un solo grammo di materia e antimateria è sufficiente per produrre la stessa quantità di energia rilasciata da una delle bombe atomihe lanciate ad Hiroshima e Nagasaki!

Fonte: National Geographic – Le frontiere della scienza – “L’antimateria”