Anche l’antimateria è dominata dalla quantistica

Anche l’antimateria, proprio come la materia, è dominata dalle leggi della fisica quantistica. Per la prima volta, oggi, un esperimento italiano ha dimostrato che gli antielettroni (o positroni) si comportano come gli elettroni. Queste particelle di antimateria hanno la stessa massa delle particelle ma alcune proprietà differenti (nel caso dei positroni la carica elettrica opposta e non solo). In pratica, anche per loro vale il dualismo onda-particella, alla base della quantistica, e assumono una duplice natura: sono sia particelle sia onde. Per provarlo gli autori hanno realizzato un esperimento fondamentale nell’ambito della quantistica, detto della “doppia fenditura”. Ma per la prima volta hanno utilizzato non le particelle, ma le antiparticelle, in particolare i positroni. I risultati dello studio anticipati lo scorso autunno – sono pubblicati su Science Advances.

L’esperimento chiave della quantistica

Nel 1801 il fisico inglese Thomas Young dimostrò la natura ondulatoria della luce e dunque che alla luce è associata un’onda. Sulla base di questa prova sperimentale Albert Einstein ha proposto di riprodurre con singole particelle l’esperimento, che è stato poi realizzato con singoli elettroni da Gian Franco Missiroli, Pier Giorgio Merli e Giulio Pozzi e pubblicato nel 1976. Si tratta dell’esperimento chiave che serve per comprendere la quantistica.

L’antimateria nella doppia fenditura

Nell’esperimento della “doppia fenditura”, un gruppo folto (un fascio) di particelle viene sparato da una sorgente verso un rivelatore – uno strumento che serve per tracciarle e identificarle. Nel corso del tragitto, però, le particelle incontrano delle grate con due fenditure, attraverso le quali sono obbligate a passare prima di arrivare al rivelatore ed essere rivelate.

Se le particelle si comportassero solo come particelle, ovvero come corpuscoli, viaggerebbero in linea retta e produrrebbero sul rivelatore un disegno corrispondente alle fenditure. Al contrario, se le particelle hanno anche una natura ondulatoria, il disegno prodotto non corrisponde alle fenditure ed è una figura più complessa, a strisce. Questa figura, in pratica, riproduce la sovrapposizione delle onde (l’interferenza) che passano nelle fenditure ed è il risultato del fatto che le particelle hanno anche una natura ondulatoria.

L’antimateria si comporta come la materia

I ricercatori hanno svelato che non solo le particelle ma anche le antiparticelle si comportano pure come onde e che il dualismo onda-particella vale anche per gli antielettroni. Per provarlo hanno realizzato un apparato di altissima precisione. L’esperimento è stato condotto al Laboratorio Positroni L-NESS del Politecnico di Milano a Como all’interno della collaborazione QUPLAS* (Quantum interferometry with Positrons and LASers).

La dimostrazione è stata possibile grazie a tre elementi chiave, come spiega Simone Sala dell’Università degli Studi di Milano: il fascio di positroni, l’interferometro con fenditure micrometriche e un rivelatore ad alta precisione. In pratica, se vale il dualismo onda-particella anche per il positrone (l’antielettrone) le onde si propagano nello spazio fino ad arrivare al rivelatore dove creano una figura di interferenza.

Antimateria, un risultato “inequivocabile”

“L’andamento della visibilità delle frange in funzione dell’energia dimostra inequivocabilmente la natura quantistica dell’interferenza”, spiegano gli autori, che per ogni misura hanno raccolto una statistica di circa venti milioni di positroni che arrivano al rivelatore. Dunque, il segnale è inconfondibile: l’antimateria si comporta come la materia ed ha una duplice natura di onda e particella.

“Il successo di questo esperimento apre la strada dell’interferometria quantistica per sistemi con antimateria”, sottolinea Marco Giammarchi, coautore del paper e ricercatore della sezione Infn di Milano e responsabile della collaborazione QUPLAS.

*Il gruppo che ha realizzato lo studio è composto da ricercatori del Politecnico di Milano, dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, dell’Università degli Studi di Milano e del Centro Albert Einstein per la Fisica fondamentale e Laboratorio di fisica delle Alte energie dell’Università di Berna.

Riferimenti: Science Advances