Si presentano come le due facce di un’unica medaglia. Materia e antimateria dovrebbero avere la stessa possibilità di esistere, eppure tutto ciò che conosciamo è fatto solo di materia. Un autentico arcano, che da anni gli scienziati cercano di svelare. Un’impresa lunga e difficile, ma ora, come riferisce la rivista Nature, un primo, importantissimo traguardo è stato raggiunto. Al Cern di Ginevra i ricercatori dell’esperimento Athena hanno prodotto per la prima volta più di cinquantamila atomi di anti-idrogeno a temperature prossime allo zero assoluto (-273°C). “La produzione in grande quantità di atomi freddi di antimateria”, spiega Alberto Rotondi, docente di fisica all’Università di Pavia e uno dei membri italiani di Athena, “è il prerequisito per poter finalmente procedere al loro studio, proprio come si fa con gli ordinari atomi di materia”. Il progetto Athena è una collaborazione internazionale di una quarantina di fisici, 14 dei quali sono italiani, finanziati dall’Istituto nazionale di fisica nucleare e provenienti dalle Università di Pavia, Genova e Brescia. L’esistenza dell’antimateria fu predetta, intorno agli anni Trenta, dal fisico teorico inglese Paul Dirac, il quale capì che le leggi della meccanica quantistica, combinate con quelle della relatività speciale, imponevano che per ogni particella, come per esempio l’elettrone o il protone, dovesse esistere una antiparticella (antielettrone o positrone, antiprotone) con massa uguale e carica elettrica opposta. Ben presto, le prove a favore dell’esistenza dell’antimateria andarono accumulandosi, confermando in pieno le intuizioni di Dirac. Oggi tutto lascia pensare che materia e antimateria abbiano le stesse proprietà. Ma allora nell’Universo dovrebbe esserci tanta materia quanta antimateria. E invece delle antiparticelle non vi è traccia: possono essere create in laboratorio, ma appena entrano in contatto con la materia ordinaria si “annichilano”, catturano cioè le particelle di materia e insieme a esse si trasformano in pura energia. D’altra parte, è molto probabile che nei primissimi istanti di vita dell’Universo, dopo il Big Bang, esistessero quantità abbondanti sia di materia che di antimateria. I due opposti iniziarono subito ad annientarsi e da quella carneficina cosmica sopravvisse una piccola percentuale di materia, sufficiente a formare tutti i corpi presenti nell’Universo conosciuto. “Gli scienziati”, sottolinea Rotondi, “sperano di capire come mai da quel remotissimo annichilamento fra materia e antimateria si salvò un po’ della prima, dato che esse sembrano essere comparse inizialmente in quantità identiche”.Perché, dunque, solo materia se tutte le leggi conosciute non fanno distinzione tra materia e antimateria? Esiste qualche meccanismo ancora sconosciuto che differenzia i due tipi di particelle? L’unica via per trovare una risposta consiste nel fabbricare antimateria in laboratorio, imprigionarla in una regione di spazio vuoto per impedirle di entrare in contatto con la materia ordinaria e studiarne le proprietà. I fisici di Athena hanno portato a termine con successo la prima tappa di questo programma: sono riusciti a produrre atomi di anti-idrogeno (costituito da un anti-protone attorno al quale orbita un positrone, così come il suo antagonista, l’idrogeno, è formato da un protone attorno al quale orbita un elettrone) in grande quantità ma soprattutto a temperature, e quindi a energie, così basse da renderne possibile l’intrappolamento. In effetti, alcuni atomi di anti-idrogeno erano già stati formati nel 1996, prima al Cern e poi al Fermilab di Chicago, ma la loro energia era così elevata da non permettere ulteriori studi.Nell’esperimento Athena, i positroni e gli anti-protoni sono stati dapprima creati all’interno di acceleratori. Al termine di questo processo, le antiparticelle prodotte avevano una temperatura e un’energia elevatissime, di conseguenza dovevano essere raffreddate drasticamente. Per gli anti-protoni questo passaggio è stato particolarmente complesso: il loro raffreddamento è avvenuto prima con una macchina chiamata Antiproton Decelerator, poi facendoli passare attraverso alcuni fogli di uno speciale materiale e infine catturandoli in una gabbia di campi elettrici e magnetici. Contemporaneamente agli anti-protoni, veniva preparata una “nuvola” fredda di positroni e quindi i due gruppi di antiparticelle sono stati portati a contatto in un ambiente in cui la quantità di materia era minima. La presenza dell’anti-idrogeno così formatosi è stata infine verificata grazie a uno speciale rivelatore collegato a un complesso sistema di software.Gli anti-atomi prodotti da Athena hanno avuto vita molto breve, poiché era prevista la loro fuga verso le pareti per poterne osservare l’annichilazione. Il loro intrappolamento sarà il prossimo passo del programma sperimentale: a quel punto, sarà possibile avere dell’anti-idrogeno in “provetta”, così da poterne studiare le caratteristiche e confrontarle con quelle dell’idrogeno. Con la prospettiva di verificare in via definitiva se davvero materia e antimateria hanno le stesse proprietà. “Ma ancor più interessante”, ci dice Rotondi, “sarà la possibilità di esperimenti balistici per verificare l’interazione gravitazionale tra antimateria, nel caso specifico l’anti-idrogeno, e la materia, cioè la Terra. È un campo completamente inesplorato dal punto di vista sperimentale e poco trattato dal punto vista teorico. Vi potrebbero essere importanti conseguenze per la relatività generale di Einstein”. Ovvero, per la teoria su cui si fonda la nostra comprensione dell’Universo.
