Grazie di essere venuti qui questa sera,
e grazie all'Istituto Veneto
per l'organizzazione di questo bell'incontro.
Io sono Stefano Sandrelli e cercherò
di essere per voi il bravo conduttore
appunto
dell'incontro di sta sera, che ha come protagonisti
la materia e l'antimateria,
e il loro dualismo,
e ovviamente i relatori al mio fianco,
che vi presento:
Roberto Battiston,
che è Presidente della "Commissione Scientifica
Nazionale 2" dell'INFN, che si occupa della fisica astro-particellare,
della fisica dei neutrini,
ed è anche responsabile italiano dell'esperimento A.M.S.
di cui e ci parlerà successivamente
per conto dell'INFN e per conto dell'ASI.
Entrambi i relatori hanno dei curriculum lunghissimi,
quindi mi dovete scusare se io sarò estramente succinto
nell'introdurvi.
Di Roberto vi volevo segnalare che, oltre a tutti i suoi
meriti accademici,
ha anche tre brevetti.
Ve lo segnalo perchè - specialmente ai
ragazzi che sono qui fra noi - questo è
uno degli elementi deboli della ricerca italiana,
cioè questa
debole connessione tra ricerca e brevettazione.
E mi sembra che Roberto invece
sia un buon esempio per tutti voi.
Alla mia destra, invece, è Gian Francesco
Giudice, che è un fisico teorico, che lavora
al CERN ormai dal '93,
nonostante la giovane età.
Prima ha lavorato al FermiLab,
che è il più grande laboratorio
di fisica delle alte energie degli Stati Uniti,
e tra le altre sue attività
ha scritto e pubblicato recentissimamente un
libro di divulgazione dal titolo abbastanza interessante,
che è "Odissea nello zeptospazio".
Se qualcuno di voi, cioè tutti,
non sapete che cos'è lo "zeptospazio" vi invito
a cercarlo.
Bene,
l'antimateria, dunque.
L'antimateria è uno dei
concetti
più
interessanti e più diffusi nell'immaginario di tutti noi,
della fisica del novecento.
Perché, per esempio,
l'astronave di Star Trek (l'Enterprise), come sapete,
che si poteva muovere in questo filmato,
in questo
film di fantascienza,
perché riusciva a contrarre lo spazio-tempo,
aveva come sua alimentazione, appunto,
un motore che funzionava
attraverso l'antimateria,
per annichilazione di nuclei di deuterio.
L'antimateria è stata fecondissima,
dal punto di vista della suggestione,
per film di fantascienza, per fumetti,
 
per tantissimi utilizzi,
direi, plastici dal punto di vista culturale.
Però è anche vero che, dal punto di vista
della ricerca scientifica,
le cose sono abbastanza diverse.
L'ultimo flash che vi voglio dare
in questa breve introduzione è questo:
avete visto nel filmato, a un certo punto,
è apparsa una scritta
che indicava come dell'universo attuale
conosciamo molto poco.
Molto poco significa che soltanto il 4% circa
è materia così come noi
la conosciamo, materia barionica;
il resto è costituito da materia oscura
e da energia oscura,
indipendentemente poi delle percentuali
dell'una o dell'altra.
4% significa che: se noi ci troviamo in una casa
di 100 metri quadrati
e siamo a sedere sul nostro letto di 2
metri per 2 metri (un bel letto matrimoniale),
ebbene,
vediamo solo quello, tutto il resto è buio!
Quale sarebbe la vostra sensazione
trovandovi in una casa completamente
buia, in cui solo il letto su cui sedete è
illuminato?
Ecco, questo, in questo momento, è il nostro
stato - diciamo -
nei confronti dell'esplorazione dell'universo.
Ed è uno stato che si è ampliato - tra
l'altro enormemente - negli ultimi anni:
stiamo facendo progressi, progressi straordinari,
eppure siamo qui,
in questa situazione.
Detto questo, io
passo la parola
a Gian Francesco,
che ci parlerà, indovinate di cosa?
Di antimateria!
Grazie!
(Può cambiare l'immagine? Perfetto!)
Come menzionato nell'introduzione
ci sono argomenti scientifici che hanno
sempre avuto un fascino speciale per il pubblico
proprio perchè evocano
idee misteriose e affascinanti.
Anche il nome, che gli scienziati danno
alle loro idee, contribuisce poi alla loro popolarità.
Antimateria è un nome enigmatico e arcano.
E pensare che quando fu identificato il primo pezzo
di antimateria, cioè l'anti-elettrone
(ma ancora non aveva questo nome),
l'astrofisico Herbert Dingle suggerì allo scopritore
un nome per la nuova
particella.
E l'argomento che usò è questo:
questa nuova particella
è collegata con l'elettrone,
lui si ricordava dallo studio la mitologia di
Elettra e Oreste,
i figli matricidi di Agamennone e Clitennestra, e quindi suggerì
Elettra - elettrone, Oreste - orestone, di
chiamarlo "orestone".
Davvero mi sembra una pessima idea.
Ve la sareste immaginata voi?
Se l'antimateria si chiamasse orestone,
forse Dan Brown avrebbe inventato di far esplodere
il Vaticano con una bomba
a orestoni?
Oppure, come era stato menzionato,
l'astronave Enterprise
della serie televisiva Star Treck avrebbe
funzionato con un motore a reattore a
orestoni?
No, non credo proprio.
ll merito
dell'antimateria sta anche nel suo nome.
Però,
così come l'antimateria stessa,
la storia della scoperta dell'antimateria
e' davvero affascinante.
La fisica è una scienza naturale,
e quindi teoria, cioè deduzione astratta,
e esperimento,
cioè osservazione empirica,
sono entrambi necessari per
la comprensione di un fenomeno.
Spesso è difficile districare il ruolo della teoria
da quello dell'esperimento,
perché uno influenza l'altro,
in un modo indissolubile.
Però la scoperta dell'antimateria,
secondo me, è un chiaro esempio
di come la pura deduzione teorica possa
permettere delle scoperte veramente
sensazionali.
E nella storia dell'antimateria
credo che anche il miglior sceneggiatore
non avrebbe potuto trovare
un personaggio più adatto al ruolo
del protagonista
di questa vicenda che non Paul Dirac.
Dirac era un uomo schivo
e riservato, ma fino al parossismo.
Era praticamente incapace di parlare,
era incapace di dimostrare anche sentimenti umani.
Era nato da una famiglia
- era represso da un padre severo, intransigente -
in una famiglia
tormentata da liti continue.
Aveva mantenuto un rapporto di grande indifferenza
verso il fratello Felix,
che successivamente si suiciderà
all'età di solo 24 anni.
Dirac aveva sicuramente
un carattere estremamente strano,
estremamente complesso.
Era noto per parlare pochissimo,
e rispondeva solamente a monosillabi.
 
Oggigiorno gli sarebbe stato diagnosticato
un caso di acuto autismo,
ma per allora era semplicemente un personaggio eccentrico
e un taciturno.
Interessato soltanto alla matematica
e alla fisica teorica, e nient'altro capitasse
intorno a lui.
Ci sono tantissimi aneddoti sulla sua vita,
sia scientifica che umana,
e di questa sua strana personalità.
Ve ne racconto uno solo, perchè non riesco a
resistere, ce ne sono di estremamente
spassosi.
Durante un seminario
Dirac viene interrotto un certo punto
da una domanda
di uno studente, che gli dice: "mi scusi,
non capisco quell'equazione che c'è scritta
nell'angolo a destra, in basso
della lavagna".
- Questo era durante
un seminario. -
E Dirac rimane in silenzio,
a fissare il vuoto.
dopo un poco c'è un certo imbarazzo nella sala,
e quindi il moderatore
cerca di chiedere a Dirac di rispondere,
in qualche modo, alla domanda.
E Dirac dice:
"questa non è una domanda,
era soltanto un commento".
E continua, e riprende il suo seminario normalmente.
Siamo nel 1927: lì la nostra storia comincia.
La teoria della relatività di Einstein
e la meccanica quantistica
hanno già sconvolto il mondo della fisica.
Anche se le due teorie
si sono mantenute in ambiti separati.
Dirac vuole cercare di affrontare il problema
di scrivere un'unica equazione
che possa determinare
il moto dell'elettrone
in maniera consistente con i principi
sia della relatività ristretta,
sia della meccanica quantistica.
Cioè, Dirac non cerca di spiegare
un risultato sperimentale,
ma soltanto di risolvere un problema di principio.
Cioè, Dirac non segue un dato, ma segue un'idea.
Il problema, dal punto di vista matematico,
non è assolutamente semplice.
Perchè se uno usa la matematica usuale
si accorge ben presto che si arriva ad una
contraddizione interna:
non è possibile mettere d'accordo le
due teorie.
Quindi Dirac per scrivere quest'equazione deve
inventare
delle nuove quantità,
che soddisfano a delle proprietà
completamente inusuali,
secondo la matematica consueta.
Deve inventare una nuova matematica.
E così facendo arriva ad un'equazione.
E questa equazione, appena pubblicata,
ha un grandissimo successo.
Questa equazione
è così nota in fisica
che ora questa equazione
è scolpita su una lapide,
che è posta sul pavimento dell'abbazia di Westminster,
poco lontana dalla tomba di Newton.
Non so quante
equazioni
abbiamo il privilegio di essere scolpite in una cattedrale.
Questa è l'unica
che io conosco.
Ma non è questa l'unica ragione del grande
successo dell equazione di Dirac.
L'equazione descrive perfettamente
l'elettrone,
anche prevedendo le sue proprietà magnetiche,
in perfetto accordo
con le misure sperimentali di allora.
Cosa ancora più importante,
mette in relazione i principi
della relatività e della meccanica quantistica.
 
Cioè, il taciturno Dirac aveva scoperto
il linguaggio con cui meccanica quantistica
e relatività ristretta
potevano conversare.
In realtà, però, le cose si mostrarono subito
non così semplici.
L'equazione di Dirac, oltre all'elettrone,
prevedeva anche l'esistenza
di un'altra particella, con carica elettrica
opposta a quella dell'elettrone.
La cosa era completamente sconcertante,
parchè
questa nuova particella
doveva trasportare un'energia negativa.
L'idea che una particella possa avere
un'energia negativa è completamente
paradossale.
E lo capite, perchè un sistema fisico
cerca sempre lo stato di minima energia.
Ma se - secondo la teoria di Dirac - esistevano
particelle che portano energia negativa
allora l'intero universo dovrebbe
collassare in una massa gigantesca,
informe di particelle a energia negativa.
risultato, ovviamente,
completamente assurdo.
Quando questo fu evidente,
molti fisici persero fiducia nella validità
dell'equazione di Dirac.
Non Dirac, però,
che cercò più volte di dare un senso
a questo paradosso.
Prima di tutto
fece in modo di eliminare la particella
con energia negativa.
Niente da fare: alcuni fisici mostrarono
che senza quella particella
l'intera equazione non aveva più
significato, non poteva più
rispettare i principi della meccanica quantistica.
Allora,
Dirac pensò: "beh, se questa è una
particella con carica positiva,
posso interpretarla come il protone"
cioè l'elemento che costituisce il
nucleo atomico, che allora si sapeva
essere una particella
con carica elettrica positiva.
Peggio ancora,
secondo quest'ipotesi,
se questo fosse vero, gli atomi si
disintegrerebbero
in meno di un decimo di nanosecondo.
E fu commentato: "beh,
questa dovrebbe essere la fine di Dirac,
se lui insiste nella sua teoria".
Ma lui insistette,
e nel 1931
segui il consiglio di Sherlock Holmes,
che diceva: "quando è stato eliminato l'impossibile,
ciò che resta, per quanto improbabile,
dev'essere la verità."
Quindi, a questo punto,
Dirac
suppone ....
fa un'ipotesi
- veramente rivoluzionaria per allora -
e scrive in quest'articolo del '31:
"se esistesse,
sarebbe nuovo tipo di particella,
sconosciuto alla fisica sperimentale,
dotato della stessa massa e di carica opposta
a quella dell'elettrone.
Chiameremo questa particella anti-elettrone.
L'antimateria
è nata.
Per lo meno nella mente di un fisico teorico.
Oggigiorno, l'idea di proporre una nuova particella
può semnbrare
non così strana. Ma per allora, dovete
pensare che era un'ipotesi veramente
azzardatissima.
A quel tempo si pensava che tutta la materia
fosse costituita da protoni
ed elettroni.
Quindi, l'idea di immaginare un nuovo tipo di materia,
doveva sembrare veramente folle per quell'epoca.
Dirac diede anche una spiegazione
dell'esistenza
dell'energia negativa,
in quello che viene detto il "mare di Dirac".
Secondo me è un mare scemenze quello che
diceva Dirac allora, ormai riconosciuto.
Ciononostante, nonostante
l'idea del mare di Dirac sia completamente sbagliata,
mi stupisce come
in moltissimi libri divulgativi
e persino in qualche libro di testo,
è ancora riportata
come valida.
Però, in realtà,
 
nell'esistenza dell'antimateria
Dirac ci aveva visto giusto.
Il matrimonio tra
meccanica quantistica e relatività ristretta
aveva creato
 
una nuova creatura:
l'antimateria.
Proprio come
una moneta ha sempre due facce,
e non si può nemmeno immaginare
una moneta con una faccia sola,
così la stessa entità fisica
descrive l'elettrone
e l'anti-elettrone,
espressioni della materia e dell'antimateria.
Se una faccia corrisponde a una particella
con carica elettrica negativa,
l'altra faccia corrisponde ad un'altra particella identica,
a parte la sua carica elettrica,
che è di segno opposto.
In realtà le due particelle non sono
oggetti distinti,
ma sono semplicemente la manifestazione
di una medesima identità,
che è quella
che ha definito
Dirac,
nella sua teoria.
Anche la scoperta sperimentale
dell'antimateria
ha le sue stranezze.
Forse,
qui,
faccio la storia un po' più breve,
anche se anche questa è abbastanza
interessante,
di tantissimi interpretazioni sbagliate.
Però quello che è importante
è che nel 1932 Carl Anderson,
a Pasadena,
misurando tracce dei raggi cosmici,
cioè di questi flussi di particelle di alta energia
che ci colpiscono continuamente,
osservò
delle nuove particelle simili agli elettroni,
ma con carica opposta,
che lui chiamò positroni.
 
Ci volle parecchio per capire che queste particelle
erano quello
che Dirac aveva previsto.
Ma infine questo fu riconosciuto, e l'anno successivo
Dirac ricevette il premio Nobel.
Aveva 31 anni.
Nel 1936 poi fu la volta di Carl Anderson
a ricevere il premio Nobel.
Se l'elettrone ha
la sua antitesi, cioè l'anti-elettrone,
questo deve essere vero per qualsiasi
altra particella.
Cioè, ogni forma di materia
possiede due facce.
A quel punto cominciò la caccia
alla seconda faccia della materia.
Negli anni '50 fu scoperto l'anti-protone,
l'anti-neutrone, e via così: ad ogni
particella
fu identificata la sua anti-particella.
Quindi, così come esistono gli atomi,
si possono immaginare anti-atomi
composti da
anti-nuclei, con anti-protoni ed anti-neutroni,
ed anti-elettroni che ci orbitano intorno.
Quindi, ogni forma di materia può avere
la sua antitesi di antimateria.
Quindi si può formare una tavola periodica di anti elementi,
che costituirebbero
l'anti-chimica.
Ma allora  - direte voi - aveva ragione Dan Brown!
Allora si può costruire una
bomba ad antimateria.
O piuttosto, senza avere idee da guerrafondai,
si potrebbe costruire,
così come dice Star Trek, un motore ad antimateria.
 
Il punto centrale di questo,
dell'idea, è che materia ed antimateria,
quando vengono a contatto
hanno la proprietà di disintegrarsi.
Questo è una conseguenza, semplicemente,
 
dell'equazione
di Einstein: E=mc2(quadro).
Cioè l'energia,
che è sotto forma di massa
(di materia o di antimateria),
si può trasformare in radiazione.
Secondo l'equazione di Einstein, la massa
è solo una possibile forma di energia.
Punto importante, per quanto ci riguarda, è che
questo fattore di conversione
tra energia e massa, secondo l'equazione
di Einstein.
è un fattore,
- se visto in unità di misura corrente -
è fattore un gigantesco.
Fatemi fare un esempio.
Prendiamo
una bomba convenzionale,
che usa una reazione chimica
nel produrre l'esplosione.
Prendiamo del tritolo.
L'energia liberata dal tritolo
corrisponde a 0,05 miliardesimi
 
dell'energia
contenuta - l'energia, se volete,
disponibile - in forma di massa
nel tritolo prima di esplodere.
Quindi,
una reazione chimica usa una frazione piccolissima
dell'energia disponibile
in forma di massa.
Altro esempio:
prendiamo una Ferrari.
E
- potete fare il conto anche voi, (io) me lo sono fatto -
considerate una Ferrari che corre a 300 chilometri orari,
e la fate correre per 1 ora:
consuma circa 60 litri di benzina,
che corrispondono 45 chili
di benzina.
Poi andate a vedere qual è
l'energia sprigionata
dal motore della Ferrari,
e vi accorgete che questa è pari a 300
chili di tritolo.
Quindi significa che il motore della Ferrari
è molto più efficiente
rispetto a
un'esplosione di tritolo.
L'energia sprigionata, però, dalla Ferrari
è uguale a 0,3 miliardesimi
della massa disponibile
nella benzina.
La storia cambia se invece di considerare un'esplosione chimica considerate
un'esplosione nucleare.
Prendete, per esempio, la bomba
di Hiroshima.
In quel caso,
è una bomba di 15 kiloton,
usava 64 chilogrammi di uranio, però
l'uranio che ha subito la fissione nucleare
era meno di 1 chilo.
Quindi l'energia liberata, in quel caso, era
1 millesimo
dell'energia disponibile in forma di massa.
Cioè, un'esplosione nucleare è
molto, molto più efficiente di qualsiasi
esplosione chimica.
Ancora meglio,
nel caso della bomba H,
l'energia liberata è di circa
1 centinaio di mc2(quadro).
Ebbene, se considerassimo una bomba ad antimateria,
utilizzeremmo l'intera
energia disponibile.
Cioè, sarebbe
100 volte più efficiente, più potente, di una bomba H,
1000 volte più potente
della bomba di Hiroshima.
Ad esempio,
la stessa energia
prodotta nell'esplosione di Hiroshima
sì potrebbe ottenere con 0,7 grammi
di antimateria.
Ehm...
Un altro esempio, un po' più pacifico,
è che 1 grammo di antimateria
produrrebbe energia sufficiente per l'uso
domestico di una famiglia per 3000 anni.
Allora, a questo punto, abbiamo risolto
il problema della crisi energetica,
usando l'antimateria!
In realtà c'è un "piccolo" problema.
E il problema è che l'antimateria non la troviamo
nelle miniere.
Abbiamo bisogno di produrla, l'antimateria.
Per produrla c'è bisogno, almeno,
dell'energia che essa fornisce nella sua disintegrazione.
Poichè l'efficienza di un processo di produzione
non è mai perfetto, si deve spendere
più energia di quella che si ottiene.
Fine delle speranze
di poterla utilizzare come fonte energetica!
Ovviamente,
uno potrebbe pensare che
anche se l' antimateria non fornisce
energia in modo vantaggioso,
si potrebbe pensare di usarla come
combustibile per viaggi nello spazio.
Lì il peso del carburante è spesso
una limitazione importantissima.
Dunque si potrebbe viaggiare in un'astronave
portandosi dietro soltanto un pizzico di antimateria,
e avere energia disponibile per secoli.
Anche qui ci sono problemi.
Il primo problema è il problema della produzione,
perché l'antimateria, al momento, è prodotta
tramite scontri di particelle
ad alta energia, che è un processo
estremamente inefficiente e costoso.
Per produrre 1 grammo di antimateria,
al momento, ci vorrebbe 1 miliardo di anni
e molti milioni di miliardi di euro.
Il secondo problema è il problema della
conservazione
 
- qui forse anche Roberto vi spiegherà un
poco dei problemi -
l'antimateria, proprio perché quando viene a contatto
con la materia
immediatamente si annichila,
avete bisogno di un vuoto perfetto
e contenerla.
Si può intrappolare l'antimateria,
se ha carica elettrica, tramite campi
elettrici e magnetici,
ma così facendo,
ovviamente, non si possono intrappolare
grandi porzioni di antimateria perchè
man mano che si accumula la carica, visto
che le cariche dello stesso segno
tendono a respingersi,
rapidamente,
il sistema non si non si mantiene.
E' possibile intrappolare anti-atomi neutri,
però è più difficile.
Insomma, per il momento è meglio lasciare
questa questione agli scrittori di fantascienza.
Veniamo invece
all'ultima domanda che voglio affrontare,
una domanda scientifica,
legata a questo: abbiamo visto che
l'ostacolo principale nell'utilizzo
dell'antimateria
come fonte energetica è che non la
troviamo sulla Terra,
se non per qualche breve istante,
come vedrete, nei raggi cosmici o
negli acceleratori di particelle.
Ma, se l'antimateria - come dicevo prima - è soltanto
l'altra faccia della materia,
perchè
non è comune
in natura?
La vera domanda non è tanto perché non c'è antimateria nell'universo,
ma piuttosto: perché c'è materia nell'universo?
Fatemi spiegare il perché.
Durante i primi istanti dell'universo,
l'universo era molto caldo,
e pervaso da intensa, energetica radiazione.
In queste condizioni
non era soltanto possibile il processo di annichilazione
- quello che vedete in alto -
di materia e antimateria in radiazione,
bensì anche il processo inverso,
in cui la radiazione si materializzava
in forma di materia e antimateria.
Quindi, necessariamente, nell'universo primordiale
doveva esistere sia materia,
sia antimateria.
Allora supponiamo
che all'inizio dell'universo le quantità
di materia e di antimateria fossero
esattamente uguali.
Man mano che l'universo si espande,
si raffredda,
e la radiazione diventa sempre meno energetica.
Fino a quando il secondo processo
non riesce più
a supplire alla disintegrazione
di materia e antimateria.
E' un po' come
in una popolazione dove
il tasso di mortalità è molto più alto
di quello di natalità:
la popolazione necessariamente cala.
Così dovrebbe avvenire anche in questo universo:
la quantità di materia e
di antimateria cala.
Con i metodi della fisica teorica è possibile calcolare
quanta materia
dovrebbe esistere nell'universo.
Secondo questi calcoli,
ci dovrebbe essere 1 miliardo di volte meno materia
di quella che osserviamo. Cioè,
se guardassimo il cielo,
dovrebbero esserci pochissime stelle.
Non solo, dovremmo vedere dei lampi di radiazione
che attraversano il cielo,
continuamente (anche se una radiazione
non visibile all'occhio umano,
ma si potrebbe rivelare con gli strumenti).
Insomma, qualcosa che non ha niente a che vedere
con il nostro universo.
Allora, l'ipotesi che uno deve fare
è quella
di dire che, all'inizio del universo, la quantità
di materia
fosse predominante rispetto a quella
dell'antimateria.
E poi questo eccesso di materia e' sopravvissuto
a questa disintegrazione
cosmica,
man mano che l' universo si è espanso,
e raffreddato.
Uno può fare il calcolo
di quanto dovrebbe essere questo eccesso
per spiegare le misure
attuali dell'universo.
Il risultato è davvero sorprendente!
Da questo esercizio
si scopre che per ogni 10 miliardi
di particelle di antimateria
esistevano esattamente 10 miliardi di
particelle di materia
più una.
Cioè, come se sulla Terra...
quello che voglio dire è:
il contenuto
(noi, la terra, le stelle, tutto quello che osserviamo)
è soltanto l'effetto residuo
di questo minimo eccesso
all'inizio.
 
Questa è una possibilità.
Il punto è che ci sembra una coincidenza molto strana.
I fisici cercano sempre
di cercare
di trovare delle spiegazioni profonde
in quelle che possono sembrare
delle coincidenze.
Cercare di capire, cio,è la causa di questa predominanza.
Tra tutti i misteri dell'universo,
quello dell'assenza dell'antimateria
- secondo me - è uno
di quelli meno misteriosi.
Perchè infatti abbiamo buone e ragionevoli spiegazioni
per questa predominanza.
La spiegazione più
accreditata
è associata a un'altra particella
che è il neutrino.
- Magari,
se volete farmi delle domande,
possiamo entrare un po' più nei dettagli. -
Quello che però è la reale difficoltà dal punto di vista
sperimentale
è di stabilire
se una di queste spiegazioni,
che i fisici teorici hanno
 
per dimostrare perché l'universo ha avuto
questo eccesso di antimateria,
è quello che corrisponde veramente
 
in natura.
 
 
Questo piccolissimo eccesso è quello
che ha fatto sì che l'antimateria
sia scomparsa nel nostro universo
e sia stato necessario l'intelletto umano
- e gli esperimenti di fisica delle particelle -
per poi rivelarne l'esistenza.
Grazie!
Grazie mille!
E' sempre bello - no? - considerarsi e capire
che siamo degli avanzi di questo grande
pasto cosmico.
Una buccia di banana in quella ...
Io, per introdurre Roberto,
farò una cosa leggermente
diversa, che è questa:
"Non hai le visualizzazioni?"
"No, ho soltanto i numeri" disse Marc, indicando le cifre
che scendono in colonne rapide, del tutto innaturali.
Guardano tutti e tre il monitor, in un riverbero turchese,
e si soffermano su
qualche numero.
Vedono, o pensano di vedere, quello che è accaduto,
dato che ogni numero lascia
immaginare una quantità, e un'energia, e un movimento.
Ogni numero è il raggio
di un cerchio, la lunghezza di una linea retta,
o l'andamento di un ellisse,
o l'angolo di entrata o di uscita, o un indice del tempo.
Ogni numero è in accordo con la
simmetria nel tempo e nello spazio,
e con la sua rottura, e con l'invarianza, e con la variazione,
con ciò che è libero e con ciò che è confinato,
col passaggio continuo
dall'onda alla forma dell'onda,
da un nome a un altro nome,
lì dove la fisica non proibisce
quello che può accadere,
né indica un modo unico in cui può accadere,
ma riconosce che può accadere
tutto ciò che accade."
Questo è un passaggio molto breve di
"Atlante occidentale" di Daniele Del Giudice,
 
che ha scritto del CERN, e ha scritto
della letteratura, e ha scritto in generale del problema
della visualizzazione.
Questo
è un libro molto interessante sulla fisica moderna
e sul tipo di stimolo che la fisica moderna dà alle capacità
di visualizzazione dei fisici
e di coloro che si occupano di immaginario letterario.
Ve lo consiglio
 
in modo sincero.
Mi permette, questo passo, anche di introdurre
Roberto Battiston
perchè
è un passo che parla di analisi di esperimenti.
Perchè, se l'antimateria
esiste,
noi la vediamo, la osserviamo, la creiamo
nei grandi acceleratori, ma
la troviamo anche, appunto, nello spazio.
Nello spazio cosmico, per esempio.
I raggi cosmici di tipo secondario che arrivano
sulla terra sono ricchi anche
di antimateria.
Un'antimateria - l'ultima cosa che vi dirò - che
non ci è così estranea,
non appena pensate che
una delle
tecniche diagnostiche per
il cancro è la tomografia a emissione di positroni,
e i positroni nient'altro sono
- appunto - che anti-elettroni.
Dunque, l'antimateria non solo esiste,
- creata,
diciamo, pensata da Dirac -
non solo esiste, ma abbiamo anche imparato
a utilizzarla.
Roberto, a te la palla
(Grazie!) o l'anti-palla, quello che preferisci.
Allora,
per arrivare
all'antimateria dei giorni nostri,
parto anch'io
un pochino
indietro, perchè parliamo della fisica delle particelle.
Chiaramente l'antimateria è
un concetto che viene dalla struttura fondamentale
della teoria delle particelle.
E la teoria delle particelle deriva dai raggi cosmici.
Infatti,
nei primi anni del secolo (XX°),
i primi scienziati alle prese con le strutture del microscopico
avevano scoperto l'elettrone,
il protone, e il neutrone in laboratorio,
con esperimenti di vario genere.
Però, quando hanno scoperto i raggi cosmici
nel 1912
- Victor Hess -
le prime particelle e antiparticelle, appunto,
sono state scoperto usando questo
acceleratore cosmico, che ha permesso
fino agli anni '50
di capire e studiare come è fatto
il mondo dell'infinitamente piccolo.
Dopo gli anni '50 gli acceleratori
hanno iniziato a funzionare con sufficiente
capacità
e potenza, energia
- il Cern, per esempio, è l'esempio più clamoroso -
da poterci spiegare tantissimi
altri dettagli
delle proprietà fondamentale della materia.
E ai giorni nostri siamo di nuovo in un momento
interessante e importante in cui forse
la parte di informazione che viene dal cosmo,
dall'osservazione
dei segnali che vengono da molto lontano,
dalle profondità del universo, ci sta
iniziando a raccontare ancora delle cose molto importanti,
per esempio sui neutrini.
Quindi, i raggi cosmici.
I raggi cosmici sono stati studiati e scoperti
con degli strumenti di una
semplicità straordinaria.
In fisica c'è sempre un grande
sforzo per fare - specialmente oggi -
strumenti complessi, sofisticati, costosi,
enormi.
Pero' moltissime delle scoperte fondamentali
sono state fatte con strumenti estremamente
semplici, piccoli, e poco costosi.
Questo che voi vedete è un elettrometro,
o elettroscopio.
Forse qualche volta a scuola, nei laboratori,
avete fatto l'esperimento delle foglie d'oro
che vengono allontanate caricandole
con una bachelite caricata con la lana.
Ecco, questo è uno strumento analogo, con quel buco
al centro permette di mettere un piccolo
cannocchiale, un piccolo microscopio, che guarda
due fili sottilissimi d'oro, che una volta caricati
son tenuti in tensione in tensione da questo
piccolo arco in fondo, si allontanano,
e uno guarda
quanto distano, e se rimangono lontani nel tempo
in modo
costante.
Agli inizi del secolo scorso c'era una sorta
di gara su chi faceva l'elettroscopio, o l'elettrometro,
più preciso e più stabile,
che una volta caricato, non si scaricava.
Eppure si scaricavano tutti.
Una cosa così semplice - diciamo -
poteva sfuggire all'attenzione,
poteva essere un difetto tecnologico del tempo trascurabile.
Qualcuno si incaponì
per capire perché si scaricava,
e come si scaricava, e quanto si scaricava.
Si scaricava di più andando sotto nelle miniere,
o in cima a una montagna?
Fecero delle prove alla base la torre Eiffel, in cima alla torre Eiffel.
Fino a che un certo signore,
Victor Hess,
un abate
austriaco
sì intestardì e volle capire veramente
com'era questa questione.
Incominciò a salire nell'atmosfera
con un pallone
aerostatico,
uno strumento a quei tempi anche abbastanza
pericoloso - non stiamo mica parlando
degli aereoplani di linea di oggi -
e usando l'elettroscopio a diverse altezze
scoprì che: all'inizio la velocità con cui
si scaricava
diminuiva (come se questa radiazione ambientale
che si "mangiava" la carica elettrica si fosse ridotta),
ma da un certo punto in poi
aumentava
la velocità con cui si scaricava rapidamente.
Più alto si andava,
più scendeva rapidamente.
Insomma, stava scoprendo che esisteva una radiazione
che veniva da fuori
- i raggi cosmici - responsabile per questo
fenomeno della scarica degli elettrometri.
scoperta fondamentale premiata col premio Nobel.
Questo è il punto da cui si parte
- appunto - negli anni '20, negli anni '30,
nello studio della fisica delle particelle,
che sono
figlie dei raggi cosmici
scoperti da Victor Hess.
Bene, a un certo punto
Paul Dirac - come ci ha racontato
in precedenza
il nostro collega teorico del CERN -
ha fatto uno sforzo,
un'analisi, dal punto teorico, fantastica
ed è giunto alla conclusione che doveva
esistere uno stato simmetrico fra materia e antimateria,
fra massa e antimassa, energie positive ed energie negative.
Questo lo fece nel 1928.
Bene, la cosa che mi interessa sottolineare
è che dietro la scoperta dell'antimateria,
non quella di carattere teorico
che abbiamo già sentito descrivere,
ma quella sperimentale, c'è una storia
incredibile
di incapacità di vedere.
Si parlava prima di analisi dei dati.
L'antimateria - questa è la particella,
il primo anti-elettrone, positrone, visto
da Anderson nel '32, pubblicato da Anderson nel '32 -
erano quasi 10 anni
che i fisici dell'epoca vedevano
l'anti-elettrone,
vedevano figure vagamente simili a questa.
Skobel´cyn, un fisico russo,
aveva già iniziato a vedere particelle
nei raggi cosmici con delle fotografie prese
 
con delle
emulsioni,
fotografate,
che piegavano in campo magnetico nel
senso "sbagliato". Perché la carica "più"
piega in campo magnetico in modo
diverso dalla carica "meno".
Per moltissimo tempo il concetto che potesse esistere
una particella di carica
positiva che non fosse il protone
era assolutamente impensabile, inconcepibile,
non veniva in mente a nessuno.
Quindi
Skobel´cyn tenne queste fotografie di queste particelle
che piegavano nel senso "sbagliato"
come una curiosità incompresa per almeno 4 anni.
Al quinto anno si decise a mostrare
queste cose ai colleghi, in una conferenza.
Quindi dal '24
al '28, dal 1924 al 1928,
si tenne queste particelle fotografate, non le mostrò a nessuno,
poi le portò ad una conferenza
e le mostrò.
E le mostrò proprio nella stessa università
in cui c'era Dirac, che però non andò a quella conferenza.
Probabilmente Dirac era un matematico fisico,
prima che un fisico matematico.
 
Era uno che si occupava della fisica
teorica nel modo più assoluto.
Non era detto che andasse sentire i racconti
dei fisici sperimentali,
che parlavano di raggi cosmici.
Bene, nella stessa università furono presentate
da questo fisico russo
delle tracce che avevano
la piegatura "sbagliata" e la cosa passò completamente
come una curiosità strana.
Ma è peggio di così.
 
Anderson
lavorava con Millikan. Millikan è
quello che -Anderson quello che scoprì il
positrone prese il premio nobel per questo -
Millikan era il suo capo,
era quello che scoperse che l'elettrone ha una carica
quantizzata
uguale per definizione a una carica elettrica,
che non ce ne sono
di più piccole,
e che la carica è quantizzata: 1, 2, 3, ..., 45, ..., 1022.
Non c'è una carica elettrica
frazionaria.
Bene, Anderson era suo studente.
Si mise a fare esperimenti simili a quelli di Skobel´cyn,
con la differenza che aveva un campo magnetico più forte,
con un magnete più complesso.
E riuscì a piegare meglio le particelle in campo
magnetico.
E incomincio a vedere delle cose di questo genere.
Parlandone col suo capo,
la prima ipotesi che fecero - il capo disse:
"questi sono evidentemente dei protoni
che viaggiano e che si comportano assolutamente
nel modo corretto" -
e lui gli mostrava che questi protoni
si comportavano secondo
delle proprietà diverse da quelle a cui si erano abituati,
si fermavano
più rapidamente.
E lui fece un esperimento introducendo
un pezzo di metallo, un pezzo di ferro,
per vedere
questi protoni come si comportavano
passando per questo tipo di ostacolo.
Scopersero
una cosa molto curiosa:
che la particella, che in questo caso fu fotografata,
per definizione non poteva
- in questo caso specifico che viene dal basso verso
l'alto, perchè in basso l'energia è più
alta, in quanto il campo magnetico
la piega di meno -
passando per il metallo, per il pezzo
di ferro, perde energia e poi piega di più.
Perché ha perso energia. quindi non poteva che
venire dal basso.
date le caratteristiche del campo magnetico
non poteva che aver carica positiva.
E data la quantità di energia che perdeva
in questo pezzo di ferro non poteva essere un protone.
 
Bene, questo non bastò
A convincere Millikan del fatto che
questo oggetto, questa scoperta
doveva essere pubblicata.
Infatti Anderson la pubblicò, nonostante
l'opinione negativa del suo capo,
come una nota al margine
a una rivista nel 1932.
Negli stessi anni,
un gruppo di fisici
inglesi - uno era italiano,
Occhialini, l'altro era un fisico inglese -
si misero a studiare lo stesso problema.
Studiando i raggi cosmici con una tecnica
un po' particolare chiamata
del trigger,
che permette di fotografare con efficienza
le particelle che passano
dentro una emulsione.
L'altro fisico era Blackett.
Bene, Occhialini e Blackett trovarono
naturalmente particelle che piegavano nel
senso sbagliato, ne trovarono parecchie.
Le portarono a Dirac.
Siamo nel 1931.
 
Dirac ha già formulato la teoria
dell'antimateria,
del positrone.
Occhialini e Blackett portano questi documenti,
queste fotografie a Dirac
chiedendogli cosa diavolo potevano essere.
Sembravano dei protoni, ma protoni non erano.
 
Dirac non dà nessuna
indicazione di aver capito che stava osservando
le cose che aveva
scritto come essere
appunto l'anti-elettrone.
Occhialini e Blackett se ne vanno
da questa discussione senza aver capito niente.
Pubblicano.
Nel loro articolo che esce nel '33.
Ma la nota al margine con la fotografia di questo evento,
di Anderson,
era uscito un anno prima, e per questo motivo
Anderson prese il premio Nobel,
e Blackett e Occhialini no.
Questo per dirvi
com'è difficile
togliersi i pregiudizi.
L'antimateria, nella forma di anti-elettrone,
fu mancata
da almeno un premio Nobel, che era Millikan,
dallo scopritore della teoria dell'antimateria,
futuro premio Nobel che era
Dirac,
e da un futuro premio Nobel che era Blakett,
che ebbe
il Nobel per un altro motivo.
Tutti quanti avevano davanti agli occhi un dato sperimentale
tutto sommato relativamente
semplice, facile da vedere,
ma non riuscirono a identificarlo.
Notate che quegli studi venivano fatti in un momento
in cui gli acceleratori
di particelle non erano disponibili.
Quindi il processo che questi signori
andavano a osservare
era un raggio cosmico carico che arrivava
nell'atmosfera, creava una valanga di altre particelle,
alcune invisibili,
come i neutrini, altre visibili come i muoni,
oppure raggi gamma, che - appunto - fino che non
convergono non si vedono.
E in questa catena, che è ogni volta diversa,
complicata, confusa,
vengono prodotti di tanto in tanto
o un singolo positrone, o una coppia elettrone-positrone,
e loro andavano a vedere
questa particolare particella, ma in sciami molto complessi.
Quindi c'era anche motivo
per capire
come potevano essere confusi: qua dentro
c'erano molte particelle nuove, non solamente
 
l'anti-elettrone.
Però di fatto la storia mostra quanto difficile è stata
questa scoperta,
nonostante fosse davanti agli occhi
per quasi 10 anni.
Questa è l'immagine di Anderson col suo magnete
- l'abbiamo già visto nell'introduzione -
E questa è la particella.
E qui sono altri eventi in cui si vede chiaramente
che particelle con carica positiva e negativa
sono prodotte allo stesso tempo,
simmetricamente si aprono
e si comportano allo stesso modo.
Quindi è chiaro che qui si sta producendo
qualche cosa che è simmetrico rispetto alla carica,
ma la scoperta di un'antimateria era così rivoluzionaria,
concettualmente, che - ripeto -
sfuggì per molto tempo all'attenzione.
Bene, oggi siamo abituati
che per ogni particella esiste un'antiparticella,
non solo per quelle elementari, come l'elettrone
e l'anti-elettrone o positrone,
ma anche per quelle un pochino più complesse,
come il protone, che fatto di 3 quark
con l'anti-protone,
fatto di 3 anti-quark,
ma anche quelli veramente complessi come il deuterio.
Il deuterio è un protone più un neutrone,
l'anti-deuterio è un anti-protone più
un anti-neutrone.
Perfino l'elio 3
e' stato prodotto, in qualche unità,
negli urti di alta energia
delle particelle elementari negli acceleratori.
Quindi riusciamo a fare
nuclei di antimateria relativamente complessi.
A questo punto arriviamo al CERN, ai giorni nostri.
Se voi fate un attimo attenzione,
tipicamente una volta ogni due anni
si scopre antimateria al CERN.
Perché?
Perché i giornalisti raccontano
che si scopre antimateria, ma
in realtà quello che succede è una cosa
completamente diversa.
Al CERN si producono degli anti-protoni in una
certa quantità, si producono
degli anti-elettroni di certa quantità,
si mettono assieme anti-protoni e anti-elettroni
per formare anti-atomi
di idrogeno.
E nell'istante in cui le particelle cariche
si mettono assieme per fare particelle neutre
diventa difficilissimo intrappolarle.
Come diceva prima
il nostro collega
una delle difficoltà grosse con l'antimateria,
non solo è la fatica di farla,
ma poi quella di tenerla intrappolata,
soprattutto quando è neutra.
Intrappolare un anti-elettrone o un anti-protone è facile,
si possono tenere
intrappolati per giorni, mesi o anni.
Prendere un atomo neutro di anti-idrogeno e
intrappolarlo è veramente
molto difficile.
Ecco perchè si arriva a queste notizie giornalistiche
che vengono annunciate
al CERN, che
all'inizio ne hanno prodotti 16, di anti-atomi
di idrogeno,
che hanno vissuto il tempo di andare a
sbattere contro la parete.
Poi 500, ma questo due anni dopo - altra notizia
giornalistica, tutti quanti pensano: "hanno
scoperto l'antimateria al CERN" -
e recentemente ne hanno fatti 20.000.
Ma la storia è sempre la stessa:
se ne fanno sempre di più,
si intrappolano per tempi sempre più lunghi,
Ma stiamo parlando di frazioni
di secondi, in quest'ultimo caso forse un secondo o due.
Numeri fantastici dal punto di vista della ricerca,
perchè sono passi avanti
tecnologici importantissimi,
numeri ridicoli se noi pensiamo alla quantità
che potrebbe servire con una qualsiasi
applicazione tecnologica significativa.
Ma al CERN c'è un'attività importante di creazione
di numeri sempre maggiori
di anti-atomi
di idrogeno, perchè studiandoli nella vita che essi hanno,
per quanto breve,
 
si cerca di capire se la simmetria fra
materia e antimateria,
prevista appunto a tutte le teorie fino almeno a
parti per 10 miliardi, è veramente così
simmetrica anche quando le particelle
diventano complicate, si fanno atomi,
e via dicendo. Noi li interroghiamo
nei pochi
millisecondi o decimi di secondo in cui essi vivono:
vengono bombardati
da luce, si misurano le transizioni, per capire
se si comportano esattamente
come i loro
compagni - diciamo - di idrogeno normale.
Arriviamo alla questione dell'antimateria e del cosmo.
Abbiamo già capito
che ... capiamo di non capire.
O almeno i teorici sono convinti di capire,
noi siamo sperimentali, siamo a un livello più basso
naturalmente, non crediamo che i teorici
abbiano capito tutto, e pensiamo che sia più interessante
andare a misurare
piuttosto che assumere
che esistano - diciamo - delle leggi fondamentali.
Quello che è sicuro
è che all'inizio ce ne doveva essere una quantità
sostanzialmente identica, perchè è difficile pensare
ad un universo che fosse
assimmetrico dall'inizio, fra materia e antimateria.
Per un motivo molto semplice: che all'inizio era
così calda la temperatura,
così alta la temperatura,
che tutti gli stati che si possono ipotizzare
di particelle e
di anti-particelle, di quark e anti-quark,
esistevano mescolati in questo calderone
che per un tempo brevissimo è stato
l'origine del tutto.
Dopodiché è successo un massacro.
La materia e l'antimateria si sono
annichilite
con grandissima efficienza,
in tempi molto brevi,
tranne questa parte su 10 miliardi,
che siamo noi.
Allora,
non è
chiaro
che cosa ha prodotto questo.
Ci sono varie scuole di pensiero, non è
il momento di entrare in dettaglio,
perchè ci sono veramente lunghissime
discussioni collegate,
ma ci deve essere stato un meccanismo
che ha violato la simmetria assoluta
fra materia e antimateria,
in modo estremamente efficace, per tempi
molto brevi.
Questo meccanismo
non è facile
da stabilire.
Però sappiate che, se
questa assimmetria fra materia e antimateria
è un fenomeno locale, che riguarda la Terra,
il sistema solare, la nostra galassia,
e il gruppo di galassie intorno a noi,
che probabilmente son fatte tutte di materia.
Se guardiamo con Hubble una galassia
lontana, lontana, lontana - in questa
bellissima immagine, a grande profondità del cosmo
le galassie più lontane sono rossastre,
perchè sono lontane
10 miliardi di anni luce da noi,
sono le primissime che si sono formate,
più sono lontane più sono spostate verso il rosso -
bene, come luce
possono tranquillamente essere fatte
di materia o di antimateria,
come materia non le possiamo toccare,
perché sono troppo lontane,
non possiamo verificarlo, se non come?
Se non verificando nei raggi cosmici se esistono parti
di antinuclei che arrivano fino a noi.
Cioè noi andiamo con esperimenti
come questo, che verrà lanciato
sullo Shuttle il prossimo mese di aprile
che si chiama AMS
(Alpha Magnetic Spectrometer)
a misurare nel flusso di raggi cosmici
che fuori dall'atmosfera illuminano la Terra,
giorno e notte da sempre,
se ci sono,
ogni milione o miliardo di raggi cosmici
che bombardano la Terra,
 
delle particelle di antimateria.
Ma non positroni, che sappiamo esisterne una parte
per mille,
non anti-protoni, che sappiamo esisterne una parte per diecimila,
noi cerchiamo
anti-nuclei di elio, anti-nuclei di carbonio.
Vale a dire, sono stati della materia nucleare
che non potrebbero essere prodotti
in nessun altro modo
 
da fenomeni conosciuti,
ma che per esistere
avrebbero dovuto essere prodotti allo stesso modo in cui
i nuclei pesanti
di cui siamo fatti (carbonio, azoto,
ossigeno lo stesso elio, in buona parte)
sono tanti prodotti.
Vale a dire al centro delle stelle: il Big Bang ha prodotto
solamente idrogeno e piccole quantità di elio.
Tutto il resto di cui siamo fatti noi,
la parte interessante della chimica,
viene da fenomeni
di fusione all'interno delle stelle.
Per cui se trovassimo 1 o 2 antinuclei di carbonio
sarebbe una cosa stravolgente,
perchè vorrebbe dire che da qualche parte dell'universo
esistono anti-stelle al lavoro
 
che ne hanno fabbricato tanto di anti-carbonio,
tanto di anti-ossigeno, tanto
di anti
qualsiasi altro elemento.
E qualche piccolissima frazione riesce
a giungere fino a noi, per essere misurato
ma da uno possiamo dedurre l'esistenza
di moltissime particelle
con le stesse caratteristiche.
Questa è la Space Station su cui verrà
installato l'esperimento.
Attualmente abbiamo a bordo un astronauta
italiano, Paolo Nespoli, da quasi sei mesi.
AMS verrà portato in orbita
da un team in cui ci sarà un altro
astronauta italiano, Roberto Vittori.
E da lì, per vent'anni, inizieremo a cercare pazientemente
se in questa
pioggia di raggi cosmici esistono anche
dei nuclei
di anti-particelle,
come l'anti-nucleo di ....
- Adesso questo
lo salto perchè il tempo
sta arrivando alla fine,
però devo aspettare che passi il tempo
necessario. -
 
E quindi con questo,
con questa ultima slide vorrei concludere dicendo
che la ricerca, quindi, dell'antimateria
rappresenta uno dei tanti tentativi
che l'uomo, lo scienziato, fa di scoprire
altri mondi, letteralmente in questo caso
altri mondi,
cercando di
sfondare i limiti
teorici,
culturali,
tecnici, che ogni epoca ha avuto.
Nel caso specifico,
per poter cercare l'antimateria
dobbiamo mettere in moto degli strumenti
di grande complessità e costo,
ma la speranza di poter letteralmente avere un'indicazione,
dell'esistenza da qualche parte
dell'universo, veramente di altri mondi,
con caratteristiche simmetriche
di quelle in cui noi viviamo.
Vi ringrazio!
