Antimateria: dal laboratorio col furgone

E’ risaputo che l’antimateria è difficile da gestire, appena entra in contatto con la materia innesca la reazione nucleare più efficiente di tutte trasformando se stessa e la materia con cui interagisce in energia sotto forma di radiazione elettromagnetica. Questo processo è chiamato annichilazione, imparare ad impedirlo è fondamentale per poterla immagazzinare e studiare.
Il team di PUMA (antiProton Unstable Matter Annihilation) capeggiato dal fisico Alexander Obertelli della Technical University of Darmstad in Germania, mira ad usare l’antimateria come sonda per studiare lo strano comportamento di rari nuclei atomici radioattivi: quelli del Litio-11 (11Li), un raro isotopo del litio che presenta una sovrabbondanza di neutroni.
Questo studio sarà utile sia per avere una miglior comprensione dei processi fondamentali che avvengono all’interno degli atomi e sia per aiutare gli astrofisici ad avere una migliore comprensione di come si può presentare una stella di neutroni, l’oggetto più denso che esista. Questo perché nonostante il nucleo di queste stelle super-dense sia un mistero la loro struttura è dettata dalla stessa interazione che da origine ai fenomeni esotici che avvengono in nuclei così ricchi di neutroni.

Il progetto avrà sede presso il CERN, a Ginevra, dove verranno prodotti anche gli antiprotoni, la copia-specchio del protone, e specchio perché di carica negativa. Per far ciò verranno fatti scontrare dei fasci di protoni ad alta energia (26 GeV) con un obiettivo [target] di Iridio e le antiparticelle prodotte frenate velocemente per essere controllate.

Obertelli ed i suoi colleghi hanno in programma di intrappolare una nuvola di antiprotoni in un contenitore sotto vuoto in cui sono presenti campi elettrici e magnetici la cui geometria confini le particelle e successivamente trasportarlo con un furgone per qualche centinaio di metri dal laboratorio dove viene prodotta l’antimateria al laboratorio ISOLDE dove dovrebbe aver sede PUMA. In quel laboratorio vengono prodotti i rari atomi radioattivi di litio-11, la cui configurazione è altamente instabile da impedirne il trasporto.

Raffigurazione schematica dell’atomo di 11Li
Fonte

Gli antiprotoni rappresentano un modo unico per studiare l’inusuale configurazione di nuclei radioattivi perché questi annichiliscono molto rapidamente sia con i protoni che con i neutroni. I nuclei degli atomi stabili che costituiscono la materia che viviamo sono costituiti approssimativamente da egual numero di neutroni e protoni, mentre gli isotopi radioattivi presentano più neutroni.
Questo squilibrio può dar vita a caratteristiche esotiche, incluso l’avere più neutroni che protoni sulla superficie del nucleo, od un alone esteso intorno al nucleo centrale in cui alcuni neutroni orbitano da soli come nel litio-11 (questo tipo di nuclei vengono chiamati nucleo con alone).
Osservando quanto spesso gli antiprotoni si annichiliscono con i protoni rispetto ai neutroni, il team sarà in grado di capire la densità relativa di queste particelle alla frontiera del nucleo. Sia l’annichilazione che l’emivita dei nuclei di litio-11 avvengono molto rapidamente, quindi il test dovrà essere abbastanza rapido da sondare ogni nucleo. “È una tipologia di test che non siamo stati in grado di fare prima su questi nuovi nuclei più esotici, che possono avere strutture molto interessanti” ha commentato Charles Horowitz, un fisico nucleare teorico presso l’Indiana University Bloomington.

Raffigurazione dell’esperimento PUMA
Fonte

Obertelli ed i suoi collaboratori sperano di creare una trappola che sia in grado di contenere 1 miliardo di antiprotoni, più di 100 volte quanti ne siano mai stati contenuti in qualsiasi esperimento. Un’altra difficoltà sarà mantenerli per settimane, cosa mai provata prima per più di qualche dozzina di antiparticelle per volta.
Questo significherà immagazzinare questi a 4 gradi kelvin sopra lo zero assoluto (-273,15°C) in un vuoto comparabile allo spazio intergalattico. “E’ un progetto arduo, ma penso sia fattibile” commenta Chloé Malbrunot, un fisico dell’antimateria al CERN.

Potrebbero volerci circa quattro anni per sviluppare e testare le tecnologie che permetterebbero di realizzare una gabbia portatile, con le prime misure previste per il 2022.
Se questo metodo funzionerà, sarà possibile trasportare l’antimateria molto più lontano, permettendo anche agli altri scienziati che non sono coinvolti negli esperimenti situati al CERN di studiare ed usare questa materia molto elusiva, aprendo nuove possibilità.

In Copertina: Trappola Magnetica dell’esperimento ALPHA del CERN.
Fonte: Nature

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