Misurato per la prima volta lo spettro ottico di un atomo di antimateria, l’ esistenza della quale fu predetta per la prima volta dal Nobel Paul Dirac

Gli scienziati della collaborazione internazionale Alpha hanno condotto al Cern un esperimento senza precedenti in cui sono riusciti a osservare le transizioni energetiche di atomi di anti-idrogeno – atomi di antimateria formati da un antiprotone e un antielettrone (o positrone) –, riscontrando che questi si comportano esattamente come l’idrogeno, la loro controparte di materia ordinaria. L’esperimento, chiamato Alpha-2 e descritto su Nature, ci potrebbe avvicinare alla soluzione di uno dei più affascinanti enigmi della fisica moderna: perché nell’Universo la quantità di antimateria è così esigua?

Dalla predizione di Paul Dirac – che per questo vinse il Nobel nel 1933 – all’attuale Modello Standard delle particelle, le leggi della fisica prevedono infatti che per ogni particella di materia ordinaria esista una corrispettiva identica antiparticella, avente stessa massa ma carica opposta. Quando entrano a contatto, particelle e antiparticelle reagiscono annichilandosi, svanendo cioè in un lampo di energia. Ma se, stando agli attuali modelli cosmologici, un’uguale quantità di materia e antimateria è stata prodotta al momento del Big Bang, cosa ha fatto sì che non si annichilasse istantaneamente tutto quanto? Un’impercettibile asimmetria sembra nascondersi da qualche parte. Scovarla è obiettivo primario di esperimenti come Alpha-2, che però, proprio a causa dell’estrema fragilità dell’antimateria, devono superare sfide tecnologiche estremamente ardue.

Dettaglio di una parte dell’apparato dell’esperimento ALPHA-2 (Credits: ALPHA/CERN)

“Ho lavorato per più di vent’anni per arrivare a questo punto”, racconta Jeffrey Hangst, portavoce dell’esperimento. “Muovere e intrappolare antiprotoni e positroni è facile perché sono particelle cariche. Ma quando i due si combinano si ottiene anti-idrogeno neutro, che è molto più difficile da confinare. Abbiamo quindi dovuto sviluppare una trappola magnetica molto speciale”. Trappola con la quale gli sperimentatori sono stati in grado di isolare in media quattordici atomi di anti-idrogeno alla volta, circa dieci volte quanto si riusciva a ottenere con i metodi precedenti, per quindici minuti.

Ogni gruppo di antiatomi è stato quindi illuminato con un fascio laser. In generale, un atomo può assorbire solo luce di determinate frequenze, che fanno saltare gli elettroni orbitanti intorno al nucleo da un livello di energia a un altro più alto. L’insieme di queste frequenze è chiamato spettro, ed è una caratteristica identificativa di ogni diverso tipo di atomo. In Alpha2, l’anti-idrogeno ha una probabilità molto elevata di liberarsi dalla trappola magnetica se la frequenza del laser che lo illumina corrisponde a una determinata frequenza del suo spettro: quando ciò accade, il numero di antiatomi che rimangono nella trappola dopo aver spento il laser è minimo. Variando il laser e andando a contare di volta in volta gli atomi di anti-idrogeno rimasti, si è potuta quindi individuarne la frequenza di transizione tra i due livelli di energia più bassi, che è risultata identica a quella dell’idrogeno.

La misura di uno spettro è una tecnica impiegata normalmente in fisica e chimica per caratterizzare gli stati interni di atomi e molecole, ma non era mai stato possibile applicarla ad atomi di antimateria. “È un momento storico dopo decadi di sforzi tesi a creare antimateria e compararne le proprietà con quelle della materia”, afferma Alan Kostelecky, fisico teorico dell’Indiana University, non coinvolto nello studio. Sebbene il risultato ottenuto non chiarisca quale sia l’origine dell’asimmetria tra materia e antimateria nell’Universo, la tecnologia sviluppata nell’esperimento è tale da aprire le porte a un nuovo e promettente settore di ricerca da cui un giorno potrebbe arrivare la spiegazione del mistero.

Credits immagine in evidenza: Chukman So