I fisici hanno creduto che l'universo fosse fatto sia di materia che di antimateria sin dagli anni '30. Mentre siamo ben consapevoli di cosa sia la materia fisica, l'antimateria è rimasta una sostanza sfuggente.

Ma questo sta per cambiare:la nostra ricerca recentemente pubblicata sull'antiidrogeno – la controparte antimateria dell'idrogeno – annuncia una nuova era nello sforzo di capire di più sull'antimateria e su come è riuscita a sfuggirci.

Allora cos'è l'antimateria? Alla fine degli anni '20, Paul Dirac predisse l'esistenza di particelle "specchio", controparti opposte ai già noti elettroni e protoni. Queste particelle specchio avevano carica opposta, quindi erano un elettrone positivo e un protone negativo, in seguito chiamati positrone e antiprotone. Il positrone fu scoperto pochi anni dopo, nel 1932, ma ci vollero gli scienziati fino al 1955 per scoprire l'antiprotone.

La scoperta è stata complicata poiché l'antimateria non sembra essere prevalente nell'universo. Infatti, l'antiprotone è stato scoperto solo perché è stato costruito un acceleratore di particelle appositamente per crearli.

Secondo la famosa equazione di Einstein E=mc² la massa può essere convertita in energia e viceversa. L'acceleratore ha funzionato fornendo energia sufficiente per creare antiprotoni convertendo l'energia in massa. La massa è un detentore compatto di energia, ma non tutto può essere normalmente rilasciato - anche un'arma nucleare rilascia solo una piccola frazione dell'energia della sua massa.

Quando una particella e la sua antiparticella si uniscono, si annientano a vicenda – cioè si scontrano e scompaiono – e tutta la loro energia di massa viene rilasciata in un lampo di luce. È vero anche il contrario:con energia sufficiente, possiamo creare materia, ma come annientamento, anche questo processo è simmetrico, quindi materia e antimateria saranno sempre create in quantità uguali.

Questo è il processo mediante il quale è stato creato il primo antiprotone, ed è ancora quello che usiamo oggi. Ma è incredibilmente inefficiente:in un tipico processo di creazione al deceleratore antiprotone del CERN, circa 1 metro di protoni vengono fatti scontrare con un bersaglio metallico per produrre un singolo antiprotone.

Perchè importa?

I fisici credono che l'universo sia stato creato nel Big Bang miliardi di anni fa, e in particolare che è iniziato così caldo e minuscolo che nessuna particella potrebbe formarsi all'inizio. Mentre questa zuppa energetica primordiale si raffreddava, particelle e antiparticelle formate in quantità uguali. Ma meno di un secondo dopo il Big Bang, è successo qualcosa che ha causato un'asimmetria, lasciando dietro di sé un piccolo eccesso di materia. Allora, dove è andata a finire tutta l'antimateria? Semplicemente non lo sappiamo:questo è uno dei più grandi misteri della fisica.

Non c'è spiegazione per questa asimmetria, infatti non possiamo spiegare come possiamo essere qui, poiché questa asimmetria è necessaria per l'universo che sappiamo esistere.

Nonostante molte vite di attenta osservazione dei cieli, finora non sono stati trovati indizi per dirci perché c'è questa asimmetria tra materia e antimateria. Molti scienziati hanno esaminato in vari modi l'antimateria, cercare di svelare se c'è qualche differenza fondamentale tra esso e la materia che potrebbe aver causato questa asimmetria. Il metodo tradizionale consiste nell'esaminare i risultati di collisioni ad alta energia, per esempio usando il grande collisore di adroni al CERN. Però, stiamo ora cercando un'alternativa molto promettente a questo.

L'idrogeno è la sostanza più abbondante nell'universo e consiste di un solo elettrone e un protone. È giusto dire che è il sistema meglio compreso in fisica, sia sperimentalmente che teoricamente. Ha anche svolto un ruolo chiave nelle scoperte che hanno portato alla meccanica quantistica. Le proprietà interne dell'idrogeno sono state studiate con una precisione sbalorditiva utilizzando laser, e la differenza di energia tra il suo stato fondamentale e il primo stato eccitato - dove ha energia in eccesso - è nota in dettaglio. È simile a una corda di chitarra:il suo stato fondamentale significa che la corda non sta vibrando e uno stato eccitato significa che lo è. Più vibra, più è eccitato.

Da più di 30 anni, i ricercatori hanno lavorato per svelare il mistero dell'antimateria usando l'antiidrogeno, e abbiamo appena compiuto un importante passo avanti.

Quello che abbiamo appena fatto è far brillare la luce laser sugli atomi di antiidrogeno intrappolati ed eccitarli al loro primo stato eccitato. Possiamo studiare il loro comportamento mentre guadagnano energia dalla luce laser (si eccitano). Infine, si rompono – è così che potremmo dire che avevano assorbito l'energia.

Uno dei motivi per cui è stato così difficile farlo è che l'antimateria viene sempre annientata quando incontra la materia. Questo lo rende difficile da conservare:non puoi semplicemente metterlo in una bottiglia. Però, siamo già riusciti a produrre e trattenere l'antiidrogeno utilizzando una serie di elettromagneti che possono vincolarlo, che ci ha permesso di fare questa ricerca.

Questa primissima misurazione ci consente di confrontare idrogeno e antiidrogeno con una precisione senza precedenti, anzi, è il confronto più preciso tra un atomo e un antiatomo mai fatto.

Utilizzando questa misura, sembrano identici, e anche se c'era da aspettarselo, è la prima conferma sperimentale. Per adesso, il mistero dell'inafferrabile antimateria continua, ma è qualcosa che stiamo continuando a perseguire.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.