Materia e antimateria

L’ universo conosciuto, esseri umani compresi, è costituito per definizione da materia. Ogni frammento macroscopico di materia è l’aggregazione di elementi microscopici che hanno come strutture fondamentali gli atomi. Questi sono costituiti da elettroni e nuclei, corpi dotati di massa e di carica elettrica di segno opposto, legati fra loro dalla forza attrattiva coulombiana che agisce in modo simile alla legge di gravitazione nel caso dei pianeti e del sole. In ogni atomo il numero dei protoni nel nucleo è uguale a quello degli elettroni. Per questo un atomo è detto elettricamente neutro.

 Gli esperimenti mostrano che gli elettroni sono particelle prive di struttura interna; essi possono essere pensati come puntiformi e sono in senso proprio particelle elementari. Essi sono gli esempi più comuni delle particelle elementari denominate leptoni (che comprendono l’elettrone, i leptoni m e t  e i corrispondenti neutrini; i leptoni costituiscono tre famiglie distinte ognuna formata da una particella carica e un neutrino).

Fra i leptoni, solo l’elettrone e i neutrini sono stabili, mentre gli altri hanno un’esistenza effimera. I leptoni possiedono un momento angolare intrinseco (o spin) s = ½ e per questo appartengono alla più grande famiglia dei fermioni, particelle dotate di spin semintero. Fra i leptoni hanno una posizione singolare i neutrini, che sono privi di carica elettrica e di massa (e pertanto si muovono con la velocità della luce) e sono caratterizzati solo dallo spin.

Diversamente dagli elettroni, i nuclei atomici hanno una loro struttura interna: sono aggregati di particelle dette nucleoni e distinte in protoni e neutroni. I nucleoni hanno massa circa uguale tra loro e circa 2000 volte maggiore della massa dell’elettrone, e sono anch’essi fermioni con

spin ½. Il protone ha carica elettrica uguale e opposta (positiva) a quella dell’elettrone, mentre il neutrone è elettricamente neutro. I nucleoni vengono tenuti insieme nei nuclei grazie a una

interazione detta forte, attiva a piccole distanze (10^-15 m) e in grado di vincere la repulsione coulombiana tra i protoni.

 Gli esperimenti mostrano che il neutrone e il protone sono a loro volta aggregati di costituenti elementari detti quark, fermioni di spin ½ dotati della particolarità di avere una carica elettrica frazionaria.

Neutrone e protone sono le uniche aggregazioni stabili di quark e stanno a fondamento della materia ordinaria. Esistono però altre aggregazioni di tre quark u e d con esistenza sperimentalmente accertata ma effimera: esse costituiscono altri esempi della famiglia delle particelle subatomiche impropriamente dette elementari.

Gli esperimenti mostrano che, oltre a quelle costituenti la materia, in natura esistono altre particelle con proprietà facilmente collegabili alle precedenti: per esempio, nell’atmosfera sono osservabili particelle con la stessa massa degli elettroni e dei protoni ma con carica elettrica di segno opposto (dette, rispettivamente, positroni e antiprotoni). Queste particelle sono presenti in quantità trascurabili rispetto ai costituenti della materia ordinaria, non sono suoi costituenti permanenti e hanno una vita effimera. I positroni sono continuamente prodotti, per esempio, dall’interazione della componente elettromagnetica della radiazione cosmica con i gas atmosferici e gli antiprotoni dal’ interazione dei protoni cosmici. Essi hanno un’elevata probabilità di svanire (annichilare) per collisione con gli elettroni e i nuclei della stessa atmosfera.

Positroni e antiprotoni sono i più comuni esempi di particelle di antimateria o antiparticelle. Gli esperimenti mostrano che a ogni particella si accompagna un’antiparticella: a ogni leptone si accompagna un antileptone e a ogni barione un antibarione. Nel caso di particelle neutre la particella può coincidere con la sua antiparticella (è il caso, per esempio, del fotone e del pione neutro) o non coincidere (ad esempio neutrone e antineutrone sono particelle distinte).

 Una peculiarità della coppia elettrone-positrone è che, quando le due particelle entrano in collisione, la massa e le cariche elettriche ad esse associate svaniscono (o annichilano) e l’energia corrispondente compare sotto forma di fotoni o quanti di energia elettromagnetica. In questo processo vengono emesse proprio quelle particelle, i fotoni, attraverso il cui scambio si realizza l’interazione fra cariche elettriche.

Anche nella collisione fra un protone e un antiprotone, la massa e le cariche elettriche svaniscono e l’energia associata compare come massa ed energia cinetica di particelle più leggere. Quando un antiprotone annichila, tipicamente con uno dei nucleoni costituenti, rilascia una energia pari a due volte la massa dell'antiprotone, circa 1900 MeV. Questa energia, se comparata a quella tipica di legame del nucleo dell'ordine di pochi MeV, era tale da far letteralmente esplodere in nucleo di neon producendo frammenti nucleari molto pesanti (e luminosi) e molte altre particelle tra cui un pione lento che percorreva una spirale di circa 47 cm di lunghezza prima di decadere in un muone (chiamato anche "elettrone pesante") e in un neutrino del quale non si vede l'immagine in quanto privo di carica elettrica. Infine, il muone, dopo aver percorso una spirale di circa 2,6 m di lunghezza, decadeva a sua volta in un positrone (detto anche anti-elettrone o elettrone positivo) e due neutrini non visibili. Anche il positrone percorre una spirale che, a causa della sua energia, ha dimensioni tali da uscire dalla camera e quindi se ne vede solo la parte iniziale.

Le immagini  mostrano l'annichilazione, e lo schema del fenomeno, tra l'antimateria, un antiprotone indicato con una p sbarrata con il nucleo di neon, e un gas nobile composto da 10 protoni e 10 neutroni. L'antiprotone era stato prodotto nel complesso di acceleratori del CERN di Ginevra ed estratto dall'anello di accumulazione LEAR (Low Energy Antiproton Ring) del CERN. I fisici, per convenzione, indicano l'antimateria con lo stesso simbolo della materia ma con una barretta sopra. Per esempio p simboleggia il protone, p-barrato significa antiprotone.