Gli scienziati affermano che il laser costruito in Canada consente loro di manipolare l’antimateria

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Gli atomi di antimateria vengono annientati ogni volta che entrano in contatto con la materia, il che costituisce tutto. Ciò li rende difficili da studiare, il che è stato un problema, dicono gli scienziati, perché studiare l’antimateria è la chiave per capire come si è formato l’universo.

Quindi la domanda è stata: come puoi manipolare gli atomi di antimateria per studiarli e misurarli correttamente?

Un team di scienziati afferma di aver trovato un modo per farlo rallentando gli atomi di antimateria con le esplosioni di uno speciale laser costruito in Canada. E dicono che potrebbe rendere possibile la creazione di molecole di antimateria – particelle più grandi più simili alla materia che incontriamo nel mondo reale – in laboratorio.

“È qui che diventa davvero eccitante per noi”, ha detto Makoto Fujiwara, un ricercatore presso TRIUMF, il centro dell’acceleratore di particelle canadese a Vancouver, BC “Puoi davvero iniziare a fare cose che sono fondamentalmente inimmaginabili in precedenza”,

Fujiwara è un membro della collaborazione scientifica internazionale nota come ALPHA, che ha creato il laser costruito in Canada che secondo loro potrebbe consentire agli scienziati di manipolare, studiare e misurare l’antimateria come mai prima d’ora. La nuova tecnica consentirebbe loro di studiarne le proprietà e il comportamento in modo più dettagliato, confrontarlo con la materia e aiutare a rispondere ad alcune delle domande più fondamentali in fisica sull’origine dell’universo.

La collaborazione, basata presso il laboratorio sotterraneo del CERN, l’Organizzazione europea per la ricerca nucleare, ha pubblicato la nuova ricerca nella rivista Nature Wednesday.

Il gruppo comprende scienziati provenienti da paesi di tutto il mondo, inclusi ricercatori canadesi presso il TRIUMF, l’Università della British Columbia (UBC), la Simon Fraser University, l’Università di Victoria, il British Columbia Institute of Technology, l’Università di Calgary e la York University di Toronto Riceve finanziamenti da agenzie governative, tra cui il Consiglio europeo della ricerca e il Consiglio nazionale delle ricerche del Canada, e alcuni trust e fondazioni.

Cos’è l’antimateria?

Secondo la nostra comprensione della fisica, per ogni particella di materia che esiste, c’è una corrispondente particella di antimateria con la stessa massa, ma carica opposta. Ad esempio, l ‘”antiparticella” di un elettrone – un antielettrone, solitamente chiamato positrone – ha una carica positiva.

L’antimateria viene prodotta in quantità uguali con la materia quando l’energia viene convertita in massa. Ciò accade in collisori di particelle come il Large Hadron Collider al CERN. Si ritiene anche che sia accaduto durante il Big Bang all’inizio dell’universo.

Ma non c’è più una quantità significativa di antimateria nell’universo: un grande puzzle per gli scienziati.

Gli scienziati vorrebbero essere in grado di studiare l’antimateria per capire in che modo è diversa dalla materia, in quanto ciò potrebbe fornire indizi sul motivo per cui l’antimateria dell’universo è apparentemente scomparsa. Ma c’è un problema: quando l’antimateria e la materia si incontrano, vengono entrambe annientate, producendo energia pura. (Una quantità enorme – questo è ciò che alimenta il motore a curvatura immaginario in Star Trek).

Poiché il nostro mondo è fatto di materia, lavorare con l’antimateria è complicato. Per molto tempo, gli scienziati hanno potuto produrre atomi di antimateria in laboratorio, ma sarebbero durati solo milionesimi di secondo prima di colpire le pareti di materia del loro contenitore e di essere distrutti.

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Poi, nel 2010, la collaborazione ALPHA ha sviluppato un modo per cattura e trattiene gli atomi di antimateria utilizzando un campo magnetico estremamente potente generato da un magnete superconduttore. Quel campo magnetico potrebbe tenerli lontani dai lati del loro contenitore, che è fatto di materia, per un massimo di mezz’ora, dando agli scienziati un sacco di tempo per fare misure su anti-idrogeno che lo confrontano con l’idrogeno.

Il ‘sogno folle’ di Makoto Fujiwara

Tuttavia c’è stato un problema. Per quanto le immagini che scatti con la tua fotocamera siano sfocate se l’oggetto che stai fotografando si muove troppo velocemente, è stato difficile ottenere misurazioni precise sugli anti-atomi di idrogeno senza poterli rallentare. Ma Fujiwara aveva un’idea di come farlo.

“È uno dei miei folli sogni che ho fatto molto tempo fa, cioè manipolare e controllare il movimento degli atomi di antimateria con la luce laser”, ha ricordato.

Sapeva che gli atomi regolari potevano essere rallentati dal “raffreddamento laser” (gli atomi si muovono più lentamente a temperature più fredde e smettono di muoversi a una temperatura di 0 Kelvin o 0 K, equivalente a -273,15 C, chiamato zero assoluto). Gli atomi di ogni elemento sono sensibili a specifici colori di luce. Colpirli con quei colori specifici in determinate condizioni può far sì che assorbano la luce e rallentino il processo.

In teoria, gli anti-atomi di idrogeno dovrebbero rispondere agli stessi colori dei normali atomi di idrogeno (qualcosa che i ricercatori hanno finito per confermare nel 2018.)

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Quindi, non appena ALPHA è riuscita a intrappolare gli atomi di antimateria dell’idrogeno, Fujiwara ha proposto di provare il raffreddamento laser su di essi.

I suoi colleghi hanno riso, inizialmente, ha ricordato, “perché tutti sapevano che un laser sarebbe stato così difficile da costruire per questo.”

Il colore di cui avevano bisogno, rappresentato in fisica dalla sua lunghezza d’onda (ad esempio, il rosso ha una lunghezza d’onda di circa 700 nanometri e il blu ha una lunghezza d’onda di circa 450 nanometri) doveva essere molto preciso. Aveva bisogno di una lunghezza d’onda di esattamente 121,6 nanometri. Un laser di quel colore non era mai stato costruito prima. Il laser dovrebbe anche adattarsi in uno spazio molto ristretto in una configurazione sperimentale molto complessa con molti componenti.

Poi, un giorno, Fujiwara incontrò il suo collega Takamasa Momose, un professore di chimica dell’UBC, nella caffetteria del TRIUMF a Vancouver. Ha menzionato il problema e Momose ha detto che poteva fare il laser.

I due hanno lavorato insieme e, dopo quasi 10 anni, ci sono riusciti.

Cosa puoi fare con gli atomi di antimateria ultra lenti

Gli atomi di antiidrogeno vengono creati e intrappolati a temperature molto basse, circa 0,5 Kelvin o K (-272,65 C). Ma anche a quella temperatura, si muovono a circa 300 chilometri all’ora. Con il raffreddamento laser, il ricercatore è riuscito a farli scendere a 0,01 K (-273,14) e una velocità di 36 chilometri all’ora.

“Quasi puoi recuperare il ritardo correndo”, ha detto Fujiwara (cioè, se sei Usain Bolt, chi ha percorso una media di 37,58 chilometri all’ora nel suo sprint sui 100 metri da record).

Makoto Fujiwara si trova di fronte all’apparato sperimentale ALPHA presso l’Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) in Svizzera. La collaborazione internazionale ha dotato l’apparato dello speciale laser per rallentare e raffreddare gli atomi di antimateria di idrogeno. (Maximilien Brice)

Il team è stato in grado di misurare i colori che rappresentano “l’impronta digitale” degli atomi di antiidrogeno raffreddati. E a quelle basse velocità, la misurazione era quattro volte più nitida delle misurazioni sfocate che avevano preso a velocità e temperature più elevate.

Momose ha detto che quando gli atomi si muovono più lentamente, consente anche loro di raggrupparsi più vicini tra loro e forse anche di connettersi per formare particelle più grandi di antimateria, che secondo lui è il suo prossimo obiettivo.

“Finora abbiamo solo atomi di antiidrogeno”, ha detto. “Ma penso che sia bello creare una molecola con l’antimateria.”

Fujiwara vuole anche misurare la forza di gravità sugli atomi di antimateria per vedere se è uguale alla forza di gravità sulla materia. La forza di gravità è molto debole su qualcosa con una massa minuscola come un atomo, e il suo segnale viene tipicamente soffocato dai segnali di altri movimenti atomici. Ma poiché gli atomi smettono di muoversi allo zero assoluto, questi altri movimenti possono essere notevolmente ridotti con un raffreddamento estremo.

Perché è un “bel passo avanti”

Randolph Pohl è un professore di fisica atomica sperimentale presso l’Università di Mainz in Germania che non è stato coinvolto nello studio, ma ha lavorato con l’antimateria in passato. Ha seguito il lavoro di ALPHA e ha detto che i suoi ultimi risultati sono “un bel passo avanti” verso misurazioni precise dell ‘”impronta digitale” dell’antiidrogeno.

Ma pensa che la nuova tecnica avrà un impatto ancora maggiore sulle misurazioni dell’accelerazione gravitazionale sugli atomi di antimateria: “La grande domanda è: l’antimateria cadrà sulla terra – sarà attratta dalla materia? O potrebbe essere respinta dalla materia o cadere verso l’alto? “

Ha aggiunto che finora nessuno si aspetta una differenza tra materia e antimateria nel suo comportamento, ma quella teoria deve ancora essere testata.

“Perché ci sono state alcune occasioni in passato in cui le persone hanno misurato qualcosa in cui nessuno si aspettava di vedere una discrepanza, e poi improvvisamente si è manifestata una discrepanza”, ha detto. “E questo ha cambiato la nostra visione del mondo”.

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