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È possibile che nell'Universo ci siano galassie di antimateria complete di antistelle e antipianeti? Andare a scovarle è l'obiettivo di un'ambiziosa missione spaziale
Fino a poco tempo fa l'antimateria esisteva solo nelle teorie degli scienziati e nei racconti di fantascienza. Ma lo scorso 4 gennaio 1996 l'équipe di scienziati diretta dal fisico tedesco Walter Oelert, del laboratorio europeo per la fisica delle particelle (Cern), ha annunciato di aver creato nove antiatomi di idrogeno.
Per la prima volta un antielettrone (o positrone, carica positiva) e un antiprotone (carica negativa) sono stati uniti e hanno dato vita, per quaranta miliardesimi di secondo, a un antiatomo di idrogeno. È stato un passo importante verso la comprensione di come andarono le cose quando, con il big bang, materia e antimateria si separarono.
Ora la domanda che assilla gli scienziati è: dov'è andata a finire l'antimateria? Ricrearla in laboratorio è già qualcosa, ma la vera scoperta sarebbe individuarla nell'Universo.
È quello che sta cercando di fare un fisico americano con un rivelatore spaziale di antiparticelle, che sarà installato sulla stazione orbitante Alpha.
LONDRA, 3 AGOSTO 1996
Dopo anni di sforzi per far rivivere l'entusiasmo delle prime avventure spaziali, la Nasa sembra aver trovato la strada giusta. L'agenzia ha annunciato che dal 2001 sulla stazione orbitante internazionale Alpha sarà operante il primo rivelatore spaziale di antiparticelle. È possibile che, grazie a questo strumento, si scoprirà qualcosa di veramente sensazionale: l'esistenza di stelle e galassie formate di antimateria, il curioso nemico della materia ordinaria.
L'idea di mondi di antimateria non è così strana come potrebbe sembrare. Ogni particella subatomica che esiste in natura ha una corrispondente antiparticella identica per massa ma con cariche e proprietà di segno opposto. Per esempio l'elettrone, che ha carica negativa (-e), ha come corrispettivo un'antiparticella con carica positiva (+e), detta positrone. Le antiparticelle si ottengono facilmente negli acceleratori di particelle. Se fossero sempre esistite nell'Universo, antiprotoni e antineutroni dovrebbero essersi uniti a formare antinuclei. Questi a loro volta si sarebbero combinati con i positroni a costituire atomi, andati a loro volta a raggrupparsi in stelle e galassie, proprio come ha fatto la materia ordinaria.
Se l'Alpha Magnetic Spectrograph (Ams) riuscisse a scoprire antigalassie e antistelle, i fisici dovrebbero riscrivere molte delle loro più care teorie sulla natura dell'Universo. "Potrebbe sembrare una scommessa azzardata", osserva Samuel Ting del Cern, il laboratorio europeo per la fisica delle particelle con sede a Ginevra, e professore al Massachusetts Intistute of Technology (Mit). "Non c'è ragione però che l'Universo sia formato interamente di materia anziché essere un composto di materia e antimateria".
Ting, che è a capo del progetto Ams, ha condiviso nel 1976 il premio Nobel per la fisica con Burton Richter per la scoperta del J/psi, la prima particella subatomica a possedere le caratteristiche di un quark con charm (incanto). Il progetto Ams è nato due anni fa, quando il governo degli Stati Uniti ha deciso di tagliare i finanziamenti al Superconducting Super Collider (Ssc), un gigantesco acceleratore di particelle che doveva essere costruito nel deserto del Texas. "Quando il progetto Ssc fu abbandonato, mi ritrovai con alcuni amici", dice Ting. "Pensammo che forse avremmo potuto ideare un altro tipo di esperimenti con le particelle - che non richiedesse migliaia di addetti e non costasse centinaia di milioni di dollari". Così Ting e i suoi colleghi presentarono i piani per un piccolo esperimento sulle particelle - il primo a svolgersi nello spazio - che si sarebbe potuto effettuare sulla stazione orbitante con un costo di 20 milioni di dollari.
Il rilevatore dovrà identificare i nuclei atomici e gli elettroni presenti nei raggi cosmici, la cascata di particelle che continuamente raggiunge l'atmosfera terrestre. La maggior parte di esse proviene dal Sole, altre dai residui di stelle esplose nella nostra galassia. Ma quelle più energetiche di tutte giungono da sorgenti sconosciute poste oltre la Via Lattea. L'Ams passerà al setaccio i raggi cosmici in arrivo, alla ricerca di nuclei di antiatomi. "È davvero un esperimento molto intelligente", dice David Schramm dell'Università di Chicago e del Fermilab. "Ed è veramente entusiasmante".
Rilevare le antigalassie non è un compito facile. Purtroppo, gli antifotoni emessi dagli antiatomi non si distinguono dai fotoni emessi dagli atomi. Così le antigalassie non apparirebbero diverse dalle normali galassie. Ci sono tuttavia alcuni segnali che potremmo cogliere. Se ci fosse vicino a noi dell'antimateria, vedremmo sprigionarsi intensi raggi gamma prodotti dalla collisione di materia e antimateria. Tali collisioni sono inevitabili, in quanto c'è un costante scambio di materiale tra le stelle quando esse esplodono, o quando intere galassie entrano in collisione. Poiché simili raffiche di raggi gamma non sono mai state viste, sappiamo per certo che nella nostra galassia non ci sono chiazze di antimateria. Possiamo anche escludere l'esistenza di antimateria nel Gruppo Locale, il piccolo ammasso di galassie che include la Via Lattea. Dunque, possiamo con sicurezza ritenere che quasi certamente non esiste antimateria tra noi e l'ammasso più vicino, distante più di 30 milioni di anni luce. Tuttavia se non ci fosse antimateria nell'Universo, sarebbe una cosa difficile da spiegare. In teoria, eguali quantità di materia e antimateria dovrebbero essere state create con il big bang. Come potrebbe allora essere possibile che neanche un frammento di antimateria sia sopravvissuto fino ai nostri giorni? La spiegazione più comune, suggerita dal fisico sovietico Andreij Sakharov nel 1967, è che lo sbilanciamento sia dovuto a una leggera asimmetria nelle leggi della fisica, tecnicamente noto come violazione GP.
Questa asimmetria sarebbe entrata in gioco nella prima frazione di secondo dopo il big bang. In questi primissimi momenti, secondo la generalmente condivisa Grande teoria unificata, tutte le forze che noi oggi riscontriamo in natura sarebbero state fuse in un'unica forza, che avrebbe agito attraverso lo scambio delle cosiddette particelle x. Le particelle x sarebbero state particolarmente pesanti, con una massa di quasi un milione di milioni di volte quella di un nucleo di piombo. Gli esperimenti effettuati negli acceleratori di particelle suggeriscono che quando l'Universo passò alla fase successiva e le particelle x decaddero, l'asimmetria nelle leggi della fisica avrebbe dato luogo a una piccolissima eccedenza di particelle rispetto alle antiparticelle - circa un miliardo e una particella per ogni miliardo di antiparticelle.
I fisici suppongono che esse erano strettamente interconnesse, e dal momento che particelle e antiparticelle si annichilano a vicenda rilasciando raggi gamma quando vengono in contatto, questo spiegherebbe perché l'attuale Universo non contiene antimateria. Spiegherebbe anche l'intensità della radiazione cosmica di fondo - circa un miliardo di fotoni per ogni particella di materia. Essa sarebbe il ricordo, l'ultimo bagliore di tutte quelle annichilazioni materia-antimateria.
Comunque, osserva Ting, la spiegazione convenzionale per l'assenza di antimateria non è affatto provata: "Contrariamente a quanto credono molti fisici, non possiamo escludere la possibilità che in qualche parte dell'Universo sia sopravvissuta dell'antimateria dai tempi del big bang". Per esempio, l'asimmetria nelle leggi della fisica potrebbe essersi rovesciata in certe regioni della palla di fuoco del big bang, favorendo così la creazione di antimateria a scapito della materia. "Il risultato sarebbe un Universo in cui regioni di materia si alternano a regioni di antimateria".
Ting ammette che nessuno sa spiegare come sarebbe potuto avvenire un tale ribaltamento dell'asimmetria. Ma fa notare che l'intera questione dell'asimmetria è ben lontana dall'essere compresa. "Non è ancora chiaro se l'entità di asimmetria che noi ricaviamo dagli esperimenti sia sufficiente a dar conto del predominio di materia nell'Universo", dice.
Per Ting c'è ancora una possibilità che l'antimateria regni in alcune galassie oltre il nostro ammasso di galassie, tanto lontane che i raggi gamma rivelatori dei processi di annichilazione sarebbero troppo deboli per essere visti da noi. "L'Universo contiene circa altri cento milioni di ammassi di galassie", dice Ting. "È impossibile escludere che ce ne siano alcuni fatti di antimateria". Gli indizi più interessanti, osserva, proverranno dai raggi cosmici che, dalle stelle e dalle galassie lontane, viaggiano attraverso l'Universo quasi alla velocità della luce.
Lo studio dei raggi cosmici risale agli inizi di questo secolo. Gli esperimenti effettuati sulla superficie terrestre consistono nel catturare la pioggia di particelle generate quando i raggi cosmici collidono contro i nuclei dello strato superiore dell'atmosfera, disintegrandoli. Queste particelle permettono di risalire all'energia del raggio cosmico originale, ma purtroppo non di stabilire se era materia o antimateria.
Per catturare i raggi cosmici originali [o primari] sono stati fatti degli esperimenti nell'atmosfera con dei palloni aerostatici. Le misurazioni effettuate hanno però il difetto di durare solo alcune misere ore. Ting dichiara che tali esperimenti di breve durata avrebbero potuto rilevare antimateria solo se almeno un raggio cosmico su 10mila fosse un antinucleo. Ma probabilmente solo uno su dieci miliardi dei raggi cosmici che giungono nel nostro ammasso di galassie potrebbe consistere in un nucleo di antimateria. "È troppo prematuro affermare, come qualcuno ha fatto, che gli esperimenti svolti escludono che esista antimateria nell'Universo", osserva Ting. "Essi, semplicemente, non erano abbastanza sofisticati".
Secondo Ting, l'Ams dovrebbe avere molte più possibilità di successo. Diversamente dagli esperimenti effettuati a terra, il rilevatore orbitante sarà in grado di catturare i raggi cosmici primari nello spazio, prima del loro impatto sull'atmosfera terrestre. E diversamente dagli esperimenti con palloni aerostatici, la ricerca sarà inesorabile, provvedendo alla registrazione dei raggi cosmici per circa tre anni. Questo significa che avrà proprio la sensibilità richiesta, sarà cioè in grado di rilevare una particella di antimateria su dieci milioni di particelle ordinarie.
Se l'Ams rileverà la firma inequivocabile dell'antimateria, sarà una delle scoperte più significative di tutta la storia dell'astronomia. "Se si troverà l'antimateria, i fisici delle particelle di tutto il mondo saranno assai più allegri", osserva Ulrich Becker del Mit e collega di Ting. "Non dovranno più affrontare il problema di come spiegare che un Universo contenente all'inizio pari quantità di materia e antimateria sia evoluto in uno che contiene solo materia".
Ma chiaramente, la scoperta porterebbe anche nuovi problemi da risolvere. "Nelle prime fasi di vita dell'Universo, materia e antimateria sarebbero state create esattamente nello stesso posto", dice Steven Weinberg dell'Università del Texas e vincitore del premio Nobel. "Verrebbe da chiedersi perché non si sono annichilate a vicenda allora". A Weinberg fa eco Schramm. "L'Universo delle origini dovrebbe contenere domini di materia e antimateria", egli dice. "Ciò significherebbe che dovremmo rivedere tutte le nostre nozioni sull'Universo delle origini".
Antimateria a parte, l'Ams dovrà anche fare luce su alcune altre questioni che assillano gli astronomi da decenni. Per esempio, quale frazione dei raggi cosmici che raggiungono la Terra proviene da galassie oltre la nostra? Questo dipende in parte da come i raggi cosmici interagiscono con il campo magnetico della nostra galassia, che costringe le particelle cariche a seguire determinate traiettorie curve. Se i raggi cosmici escono con frequenza dalla Via Lattea e vanno verso lo spazio intergalattico, lo stesso dovrebbe accadere ai raggi cosmici di altre galassie.
Un semplice rilevamento del rapporto esistente tra due specifiche particelle cosmiche - il berillio 10 e il berillio 8 - dovrebbe contribuire a risolvere il problema. Poiché il berillio 10 decade con una vita media di circa un milione di anni, un rapporto alto significherà che la maggior parte dei raggi cosmici è relativamente giovane in termini astronomici - hanno meno di un milione di anni. Un rapporto basso, viceversa, starebbe a indicare che la maggior parte del berillio 10 ha avuto tempo per decadere, ossia che i raggi cosmici viaggiano per la galassia da un tempo molto più lungo.
L'Ams misurerà anche l'abbondanza relativa di altri isotopi presenti nei raggi cosmici, contribuendo a chiarire i processi nucleari responsabili della sintesi degli elementi nelle stelle e durante il big bang. Gli isotopi degli elementi leggeri, come ad esempio il deuterio, forniscono utili informazioni cosmologiche. Le loro abbondanze relative dipendono molto dalle condizioni in cui si formarono nei primi minuti di vita dell'Universo. Per esempio, il deuterio avrebbe dovuto rapidamente trasformarsi in nuclei più pesanti se la palla di fuoco del big bang avesse contenuto un'ampia concentrazione di neutroni e protoni con cui fondersi. Così una scarsa abbondanza di deuterio indicherebbe una relativamente alta densità dell'Universo al momento della sua sintesi.
Ancora altri misteri possono forse essere risolti dall'Ams. Per esempio, investigherà sulla materia oscura, non meglio identificata, che costituisce almeno il 90 per cento dell'Universo. "Personalmente, credo sia il lato più entusiasmante dell'esperimento", dichiara Schramm. Una possibilità è che la materia oscura sia fatta principalmente di particelle non ancora rilevate ma previste dalla cosiddetta teoria della supersimmetria. La supersimmetria è un tentativo di unificare la gravità con le altre forze della natura, e prevede che a ogni particella in natura corrisponda un partner supersimmetrico. Simili particelle sarebbero state create con il big bang insieme alle particelle ordinarie e, se la supersimmetria è corretta, alcune potrebbero essere sopravvissute fino ai nostri giorni.
Gli astronomi sperano che l'Ams possa essere il primo strumento a individuare le particelle supersimmetriche se realmente esistono in natura. Un esempio possibile è il neutralino, la più leggera delle particelle supersimmetriche stabili. Se è vero che esiste, allora avrà un'antiparticella, l'antineutralino, anch'essa forse sopravvissuta. Se neutralini e antineutralini si incontrano da qualche parte nell'Universo e si annichilano, insieme ai raggi gamma produrranno sia positroni che antiprotoni, il segnale di riconoscimento dei processi di annichilazione tra particelle supersimmetriche. Così l'Ams avrà quindi anche il compito di ricercare l'accoppiata di positroni e antiprotoni.
I primi risultati non dovrebbero tardare molto ad arrivare. Ting e i suoi colleghi hanno l'intenzione di effettuare un test di una settimana con l'Ams mandandolo in orbita con la navetta Discovery durante il lancio previsto per il 28 maggio 1998. Questo volo, che durerà circa cento ore, a un'altezza di 300 chilometri, verificherà le prestazioni del nuovo rilevatore in condizioni di volo. Permetterà anche all'Ams di fare misure accurate sul numero di antiprotoni, se mai ve ne saranno, in arrivo con una certa energia.
Se un'ampia porzione di antiprotoni avranno la stessa energia, ciò costituirà prova abbastanza evidente che provengono dall'annichilazione di un tipo di particella con la sua antiparticella. Quest'energia specifica dipenderà dalla massa della particella. Il candidato più probabile è il neutralino, per il semplice motivo che essere la più leggera delle particelle supersimmetriche la renderebbe la più diffusa nell'Universo. Da simili rilevazioni sarebbe possibile estrapolare se queste particelle da sole bastano a spiegare tutta la misteriosa materia oscura.
Ma anche rintracciare i segni dell'antineutralino non farebbe passare in secondo piano la sensazionale scoperta di domini di antimateria. Il fisico Werner Heisenberg una volta disse: "Penso che la scoperta dell'antimateria sia forse stato il più grande balzo in avanti fra tutti i grandi balzi in avanti della fisica del nostro secolo". Si può ritenere che la scoperta dell'esistenza in natura di antiatomi, antistelle e antigalassie sarebbe un balzo in avanti ancora più grande, capace di scuotere le fondamenta della fisica e dell'astronomia. "La cosmologia sarebbe messa sottosopra dalla scoperta degli antinuclei", dice Weinberg. "Dovremmo ripensare ogni cosa". (N. M.)