Anche l’antimateria è soggetta alla forza di gravità: la scoperta di uno studio condotto da 12 Paesi diversi
L’antimateria cade giù come la materia ordinaria e, quindi, come questa è soggetta all’attrazione della gravità. Lo rivela la prima osservazione diretta di atomi di antidrogeno in caduta libera nata dalla collaborazione internazionale dei ricercatori del progetto ALPHA e del CERN, in Svizzera, e pubblicata oggi sulla rivista Nature. La scoperta, nata dalla cooperazione di una dozzina di Paesi e istituzioni private, compresi gli Stati Uniti attraverso il National Science Foundation/Department of Energy Partnership in Basic Plasma Science and Engineering e l’Italia che ha contribuito con l’Infn, ha rilevato, per la prima volta, l’interazione gravitazionale tra materia e antimateria, confermando le previsioni della relatività generale di Einstein.
Gli scienziati, osservando l’andamento verso il basso dei singoli atomi di antidrogeno, hanno ottenuto una risposta decisiva: l’antimateria cade verso il basso. I risultati sono rivoluzionari in quanto demoliscono le precedenti convinzioni secondo cui l’assenza di antimateria osservabile nell’universo sia frutto di un comportamento inverso dell’antimateria rispetto alla gravità. “Il successo della collaborazione ALPHA testimonia l’importanza del lavoro di squadra tra continenti e comunità scientifiche”, ha affermato Vyacheslav Slava Lukin, direttore del programma della Divisione di Fisica della NSF. “Comprendere la natura dell’antimateria può aiutarci non solo a capire come è nato il nostro universo, ma anche a rendere possibili innovazioni mai pensate prima, come la tomografia a emissione di positroni che ha salvato molte vite e ha reso possibile individuare i tumori cancerosi nel corpo”, ha aggiunto Lukin.
L’antimateria è del tutto reale, ma inspiegabilmente scarsa. “Secondo la teoria della relatività generale di Einstein, l’antimateria dovrebbe comportarsi esattamente come la materia”, ha spiegato Jonathan Wurtele, fisico del plasma dell’Università della California di Berkeley e membro della collaborazione ALPHA. “Molte misure indirette indicano che la gravità interagisce con l’antimateria, ma fino a oggi nessuno aveva effettuato un’osservazione diretta che potesse escludere, ad esempio, che l’antidrogeno si muovesse verso l’alto anziché verso il basso in un campo gravitazionale”, ha continuato Wurtele. I nostri corpi, la Terra e la maggior parte di tutto ciò che gli scienziati conoscono nell’universo sono costituiti per la maggior parte da materia regolare, composta da protoni, neutroni ed elettroni, come gli atomi di ossigeno, carbonio, ferro e gli altri elementi della tavola periodica. L’antimateria, invece, è l’altra faccia della medaglia, simile alla materia regolare ma con proprietà opposte. Ad esempio, gli antiprotoni hanno una carica negativa mentre i protoni hanno una carica positiva. Gli antielettroni, noti anche come positroni, sono positivi mentre gli elettroni sono negativi.
“Tuttavia, forse, la sfida più grande per gli sperimentatori è che non appena l’antimateria tocca la materia, esplode”, ha dichiarato Joel Fajans, membro della collaborazione ALPHA e fisico del plasma dell’Università della California, Berkeley. La massa combinata di materia e antimateria si trasforma interamente in energia in una reazione così potente che gli scienziati chiamano annichilazione. “Per una data massa, queste annichilazioni sono la forma di rilascio di energia più densa che conosciamo”, ha aggiunto Fajans. Ma la quantità di antimateria utilizzata nell’esperimento ALPHA è così piccola che l’energia creata dalle annichilazioni tra antimateria e materia è percepibile solo da rilevatori sensibili. “Tuttavia, dobbiamo manipolare l’antimateria con molta attenzione, altrimenti la perderemo”, ha detto Fajans. “In linea di massima, stiamo producendo antimateria e stiamo facendo un esperimento del tipo Torre di Pisa”, ha detto Wurtele, riferendosi al più semplice antenato intellettuale del loro esperimento, quello di Galileo del XVI secolo che dimostrò l’identica accelerazione gravitazionale di due oggetti con volume simile ma di massa diversa, lasciati cadere simultaneamente.
“Lasciamo andare l’antimateria e vediamo se sale o scende”, ha proseguito Wurtele. Per l’esperimento ALPHA, l’antidrogeno è stato contenuto in un’alta camera a vuoto cilindrica con una trappola magnetica variabile, chiamata ALPHA-g. Gli scienziati hanno ridotto la forza dei campi magnetici superiore e inferiore della trappola fino a quando gli atomi sono riusciti a fuggire e l’influenza relativamente debole della gravità è diventata evidente. I ricercatori hanno ripetuto l’esperimento più di una dozzina di volte, variando l’intensità del campo magnetico, in cima e in fondo alla trappola, per escludere possibili errori. Hanno osservato che, quando i campi magnetici indeboliti erano esattamente bilanciati in alto e in basso, circa l’80% degli atomi di antidrogeno si annichiliva sotto la trappola, risultato coerente con il normale comportamento di una nube di idrogeno nelle stesse condizioni. Quando gli atomi di antiidrogeno fuoriuscivano, toccavano le pareti della camera e si annichilivano. La maggior parte delle annichilazioni avvenivano sotto la camera, a dimostrazione che la gravità spingeva verso il basso l’antiidrogeno. Quindi, la gravità stava causando la caduta dell’antidrogeno.
Nonostante alcune modeste fonti di antimateria, come i positroni emessi dal decadimento del potassio, anche all’interno di una banana, gli scienziati non ne vedono molta nell’universo. Tuttavia, le leggi della fisica prevedono che l’antimateria debba esistere in quantità approssimativamente uguali alla materia normale. Una potenziale spiegazione è che l’antimateria sia stata respinta gravitazionalmente dalla materia regolare durante il big bang, ma le nuove scoperte rendono questa teoria non più plausibile. “Abbiamo escluso che l’antimateria sia respinta dalla forza gravitazionale e non attratta”, ha dichiarato Wurtele. “Questo non significa che non ci sia una differenza nella forza gravitazionale sull’antimateria”, ha precisato. “Solo una misurazione più precisa potrà dirlo”, ha poi aggiunto.
I ricercatori di ALPHA continueranno a studiare la natura dell’antidrogeno. Oltre a perfezionare la misurazione dell’effetto della gravità, stanno studiando come l’antidrogeno interagisce con la radiazione elettromagnetica attraverso la spettroscopia. “Se l’antidrogeno fosse in qualche modo diverso dall’idrogeno, sarebbe una cosa rivoluzionaria perché le leggi fisiche, sia della meccanica quantistica che della gravità, dicono che il comportamento dovrebbe essere lo stesso”, ha affermato Wurtele. “Tuttavia, non potremo saperlo prima di altri esperimenti”.
di Lucrezia Parpaglioni