Produzione di coppie

Negli stessi mesi in cui Anderson svolgeva il suo lavoro negli Stati Uniti, Blackett e Occhialini effettuavano i loro esperimenti con la camera a condensazione controllata da contatori Geiger. Le loro immagini produssero risultati di fondamentale importanza:

1) Confermarono i risultati di Anderson annunciata pochi mesi prima sulla scoperta del positrone;

2) Trovarono che tutte le particelle degli sciami deflesse da campi magnetici erano elettroni o positroni e , in molti casi, il numero di particelle positive e negative erano circa in ugual numero. Poiché sulla Terra i positroni non sono comuni in natura, Blackett e Occhialini capirono che la comparsa di un numero uguale di positroni ed elettroni era dovuta ad un qualche meccanismo che li generasse.

3) Trovarono infine sciami che sembravano avere origine nella lastra di piombo senza che alcuna traccia ionizzante entrasse nella lastra setssa dall'alto. Tali sciami percio' non erano prodotti nè da elettroni nè da alcuna altra particella carica.

La risposta a tutte queste domande la si trova di nuovo nella teoria di Dirac: essa prevede infatti il meccanismo della produzione di coppie.

Il processo di produzione di coppie è una reazione in cui un raggio gamma interagisce con la materia convertendo la sua energia in materia ed antimateria. Il caso più semplice è la creazione di una coppia elettrone-positrone a partire da un raggio \( \gamma \). La reazione corrispondente è:           \( \gamma  \rightarrow   e-   +    e+ \)

In questa reazione, che avviene solo se un fotone interagisce con un campo elettrico per esempio di un nucleo atomico, si conserva la carica ( nulla prima e dopo la reazione), la quantità di moto  e l'energia, sotto forma di radiazione prima e di massa poi . 

L'energia di un fotone è data dal prodotto della costante di Planck h e della frequenza del fotone, mentre l'energia legata alla massa è fornita dall'equazione di Eistein E=mc² 

hf = m_ec² + m_ec² + Energia cinetica

L'eqazione sopra ci dice pertanto che l'energia del fotone si "materializza" in energia di massa dell'elettrone più una stessa quantità per il positrone (la cui massa è uguale a quella dell'elettrone) e l'energia in eccesso la troviamo sotto forma di energia cinetica di elettrone e positrone.

Da quest'ultima relazione è dunque chiaro che perché un fotone possa materializzarsi deve avere un'energia pari almeno al doppio della massa a riposo dei due elettroni, ossia pari ad almeno 1.022 MeV.  Ma la coppia elettrone - antielettrone (positrone), non è l'unica a potersi formare: per energie di almeno 1.9 GeV per esempio si creeranno una coppia protone - antiprotone (la massa del protone è 1836 volte superiore a quella dell'elettrone, per cui l'energia necessaria per creare una coppia protone - antiprotone è notevolmente superiore a quella per generare la coppia elettrone - positrone) e, per energie ancora superiori, neutrone - antineutrone (1956).

Una volta creato un positrone ha vita molto breve in quanto ha luogo il processo inverso alla creazione di coppie ossia l'annichilazione elettrone-positrone: il positrone non appena incontra la sua anti particella, l'elettrone, scompare generando due raggi gamma che dipartono nella medesima direzione su versi opposti e ripartendosi l'energia totale di 1.022 MeV, ed ognuno dei due raggi gamma emergenti sarà di 0.511 MeV. I raggi gamma prodotti sono due perché la conservazione della quantità di moto che deve essere nulla sia prima che dopo l'annichilazione. Il processo di annichilazione ha luogo ogni qual volta una particella e la sua antiparticella vengono a contatto: le due particelle spariscono generando due lampi gamma di energia pari alle masse a riposo delle particelle che si sono annichilate.

Blacket e Occhialini compresero dunque come potesse generarsi materia ed antimateria da una radiazione  e provarono come la nuova particella osservata da Anderson non fosse un qualcosa di "extraterrestre” o alieno, ma  essa si generasse proprio qui, sulla Terra. Compresero poi che gli sciami che osservavano prodursi altro non erano che reazioni a cascata di creazione di coppie e annichilazioni. Negli anni successivi grazie agli studi sui raggi cosmici si scoprì l'esistenza di numerose nuove particelle , si comprese che ciascuna particella ha una propria anti-particella e che quando materia ed anti-materia vengono a contatto annichilano producendo la più impressionante conferma sperimentale dell'equivalenza tra massa ed energia prevista dalla relatività di Einstein.

Una curiosità: perché un universo di materia ?

Proprio il processo di annichilazione pone l'antimateria al centro di uno dei più grandi misteri: perché l'universo attuale è fatto di materia ?

Secondo l'attuale teoria sulla nascita dell'universo si ritiene infatti che, all'origine, insieme alla materia esistesse in eguale quantità l'antimateria. Se i comportamenti di materia ed antimateria fossero perfettamente simmetrici la materia e l'antimateria presenti nell'universo primordiale avrebbero subito il fenomeno di annichilazione ed oggi avremmo un universo di sola radiazione. Ma così non è, l'osservazione dell'universo nel quale viviamo ci dice che esso è costituito solo da materia, a meno di minuscole tracce di antimateria presenti nei raggi cosmici o prodotta e studiata dai fisici in laboratorio.

A questo riguardo fu avanzata l'ipotesi che materia ed antimateria possano essersi distribuite in regioni diverse dello spazio mentre l'Universo si raffreddava. Per le consuete leggi della probabilità dovrebbero essersi formate alcune zone caratterizzate da una lieve eccedenza di materia e altre in cui c'era un altrettanto lieve eccedenza di antimateria. L'ulteriore e continuo raffreddamento avrebbe poi permesso alle stelle e agli elementi chimici di formarsi nelle regioni dove era prevalente la materia, mentre si formavano anti-stelle nelle regioni in cui prevaleva l'antimateria.                                                                                                                          

Molti modelli interpretativi però smentiscono questa ipotesi ed oggi è opinione comune che tutto l'Universo osservabile sia fatto di materia e non di antimateria. Per questo motivo i fisici stanno studiando a fondo il comportamento di materia ed antimateria per poter rivelare dei comportamenti non simmetrici che spieghino il passaggio da un universo simmetrico di materia−antimateria al nostro universo di sola materia.

Le prime conferme sperimentali di violazione di simmetria, ossia di decadimenti in cui particella ed antiparticella non si comportano in modo simmetrico si sono avute nel 1964 in un esperimento condotto nel Brookhaven National Laboratory  di New York, studiando le modalità un cui la particella K^o e la sua antiparticella decadono. Altre violazioni di simmetria sono state rivelate nell'ambito del progetto BaBar ( a cui ha partecipato anche l'Italia) condotto presso lo SLAC di Stanford  nel 1999. Nonostante alcuni indizi di violazione della simmetria tra materia ed anti materia siano stati trovati non è però ancora chiaro il meccanismo che ha portato la materia a prevalere sull'antimateria all'epoca del Big Bang. L'interesse alla questione è forte, tanto che uno degli esperimenti di LHC al CERN ( l'esperimento LHCb) è proprio dedicato allo studio di alcuni decadimenti in cui ci si aspetta di trovare ulteriori conferme di violazione della simmetria tra materia ed antimateria.

Obbiettivo odierno degli studi sull'antimateria è quindi il cercare di rilevare la più piccola differenza con la materia che possa spiegare questa eccedenza di materia che ha portato al mondo come lo conosciamo, e non ad un Universo di semplici radiazioni.