R. Michael Barnett del Lawrence Berkeley National Laboratory e Helen Quinn dello Stanford Linear Accelerator Center offrono questa risposta, parti della quale sono parafrasate dal loro libro The Charm of Strange Quarks:
Nel 1930 Paul Dirac formulò una teoria quantistica per il moto degli elettroni in campi elettrici e magnetici, la prima teoria che includeva correttamente la teoria della relatività speciale di Einstein in questo contesto. Questa teoria portò ad una sorprendente previsione: le equazioni che descrivevano l’elettrone descrivevano anche, e di fatto richiedevano, l’esistenza di un altro tipo di particella con esattamente la stessa massa dell’elettrone ma con carica elettrica positiva invece che negativa. Questa particella, chiamata positrone, è l’antiparticella dell’elettrone, e fu il primo esempio di antimateria.
La sua scoperta negli esperimenti confermò presto la notevole previsione dell’antimateria nella teoria di Dirac. Una foto della camera a nubi scattata da Carl D. Anderson nel 1931 mostrava una particella che entrava dal basso e passava attraverso una piastra di piombo. La direzione della curvatura del percorso, causata da un campo magnetico, indicava che la particella era una carica positiva ma con la stessa massa e altre caratteristiche di un elettrone. Oggi gli esperimenti producono abitualmente un gran numero di positroni.
La previsione di Dirac si applica non solo all’elettrone ma a tutti i costituenti fondamentali della materia (particelle). Ogni tipo di particella deve avere un tipo di antiparticella corrispondente. La massa di qualsiasi antiparticella è identica a quella della particella. Anche tutto il resto delle sue proprietà sono strettamente correlate, ma con i segni di tutte le cariche invertiti. Per esempio, un protone ha una carica elettrica positiva, ma un antiprotone ha una carica elettrica negativa. L’esistenza di partner di antimateria per tutte le particelle di materia è ora un fenomeno ben verificato, con entrambi i partner per centinaia di tali accoppiamenti osservati.
Le nuove scoperte portano a un nuovo linguaggio. Coniando il termine “antimateria”, i fisici hanno di fatto ridefinito il significato della parola “materia”. Fino a quel momento, “materia” significava qualsiasi cosa con sostanza; ancora oggi i libri di testo scolastici danno questa definizione: “la materia occupa spazio e ha massa”. Aggiungendo il concetto di antimateria come distinta dalla materia, i fisici hanno ristretto la definizione di materia per applicarla solo ad alcuni tipi di particelle, incluse, comunque, tutte quelle che si trovano nell’esperienza quotidiana. Allo stesso modo, ogni volta che una particella incontra la sua antiparticella corrispondente, le due possono annichilirsi a vicenda, cioè scompaiono entrambe, lasciando la loro energia trasformata in qualche altra forma.
Non c’è alcuna differenza intrinseca tra particelle e antiparticelle; esse appaiono essenzialmente allo stesso livello in tutte le teorie delle particelle. Questo significa che le leggi della fisica per le antiparticelle sono quasi identiche a quelle per le particelle; qualsiasi differenza è un effetto minimo. Ma c’è certamente una differenza drammatica nel numero di questi oggetti che troviamo nel mondo che ci circonda; tutto il mondo è fatto di materia. Qualsiasi antimateria che produciamo in laboratorio scompare presto perché si incontra con particelle di materia corrispondenti e si annichilisce.
Le moderne teorie della fisica delle particelle e dell’evoluzione dell’universo suggeriscono, o addirittura richiedono, che l’antimateria e la materia fossero ugualmente comuni nelle prime fasi, quindi perché l’antimateria è così poco comune oggi? Lo squilibrio osservato tra materia e antimateria è un enigma ancora da spiegare. Senza di esso, l’universo oggi sarebbe certamente un posto molto meno interessante, perché non ci sarebbe essenzialmente materia in giro; le annichilazioni avrebbero già convertito tutto in radiazione elettromagnetica. Quindi è chiaro che questo squilibrio è una proprietà chiave del mondo che conosciamo. I tentativi di spiegarlo sono un’area attiva di ricerca oggi.
Per rispondere a questa domanda, dobbiamo capire meglio quella minuscola parte delle leggi della fisica che differiscono per la materia e l’antimateria; senza tale differenza, non ci sarebbe modo che uno squilibrio si verifichi. Questa distinzione è oggetto di studio in una serie di esperimenti in tutto il mondo che si concentrano sulle differenze nei decadimenti delle particelle chiamate B-mesoni e dei loro partner antiparticelle. Questi esperimenti saranno fatti sia in strutture di collisori di elettroni-positroni chiamate fabbriche B che in collisori di adroni ad alta energia, perché ogni tipo di struttura offre diverse capacità di contribuire allo studio di questo dettaglio delle leggi della fisica – un dettaglio che è responsabile di una proprietà così importante dell’universo come il fatto che ci sia qualcosa! Segue la sua risposta:
Cominciamo a definire la materia. La gente si è chiesta “che cos’è la materia?” per molto tempo. Democrito, l’antico filosofo e matematico greco, immaginava la struttura negli elementi costitutivi di ogni cosa e chiamava la base di questa struttura un atomo; scrisse: “non esiste nulla tranne gli atomi e lo spazio vuoto: tutto il resto è opinione”. A livello atomico, il mondo può essere descritto in termini di elementi, tra cui idrogeno, ossigeno, carbonio e simili.
Come si scopre, però, gli atomi non sono i costituenti fondamentali della materia. Quando ci avviciniamo alla materia, sondando a distanze minori, il mondo subatomico si svela. Più guardiamo da vicino, più questo mondo, il mondo quantistico, si comporta effettivamente in modo strano. Non possiamo stabilire una connessione diretta con esso: su piccola scala, gli oggetti non si comportano come aste o palline o onde o nuvole o qualsiasi cosa che abbiamo mai sperimentato direttamente. Ma la meccanica quantistica di questo mondo ci permette di descrivere come gli atomi formano le molecole.
Ci permette anche di descrivere il “movimento” di certe particelle all’interno degli atomi. Infatti, gli atomi sono fatti di elettroni che girano intorno ai protoni e neutroni fissi nei loro nuclei, che sono fatti di quark. Tutte queste particelle interagiscono tra loro per mezzo di particelle “messaggere di forza”, come fotoni, gluoni, W e Z. In base agli attributi di queste particelle, assegniamo loro dei numeri di identificazione, o numeri quantici. E per mezzo di simmetrie e leggi di conservazione che coinvolgono i numeri quantici delle particelle, possiamo descrivere le loro interazioni. Esempi di tali numeri sono la carica e il momento angolare intrinseco, o spin.
Se a è una particella qualsiasi e questa particella non ha altri attributi che il momento lineare e angolare (che includono energia e spin), allora a è la sua antiparticella – uno dei costituenti dell’antimateria. Per esempio, il fotone è la sua antiparticella. Se una particella ha altri attributi (come una carica elettrica Q), allora l’antiparticella ha gli attributi opposti (o una carica di -Q). Il protone e il neutrone hanno tali attributi. Nel caso del protone, la sua carica positiva lo distingue dall’anti-protone con carica negativa. Il neutrone – anche se elettricamente neutro – ha un momento magnetico opposto a quello dell’anti-neutrone. Protoni e neutroni hanno un altro numero quantico chiamato numero di barione, che ha anche il segno opposto nelle corrispondenti antiparticelle.
L’operazione di cambiare particelle con antiparticelle si chiama coniugazione di carica (C). Particelle e antiparticelle hanno esattamente la stessa massa e cariche e momenti magnetici uguali ma opposti; se sono instabili, hanno la stessa durata di vita. Questo periodo è chiamato invarianza CPT (Charge Conjugation-Parity-Time), che stabilisce il fatto che se si scambiano particelle per antiparticelle (C), si guarda in uno specchio tridimensionale (P) e si inverte il tempo (T), non si può notare la differenza tra di loro. Le prove più rigorose della CPT fino ad oggi sono le misurazioni del rapporto dei momenti magnetici dell’elettrone e del positrone a due parti su un trilione (R. Van Dyck, Jr. e P. B. Schwinberg, Università di Washington, 1987) e le misurazioni della carica per massa del protone e dell’antiprotone – trovate essere 0.999,999,999,91 a 90 parti per trilione (G. Gabrielse, Harvard, 1998).
L’antimateria è nata come soluzione al fatto che l’equazione che descrive una particella libera in movimento (la relazione relativistica tra energia, quantità di moto e massa) non ha solo soluzioni energetiche positive, ma anche negative! Se questo fosse vero, niente impedirebbe a una particella di cadere verso il basso fino a infiniti stati di energia negativa, emettendo una quantità infinita di energia nel processo – cosa che non accade. Nel 1928, Paul Dirac postulò l’esistenza di elettroni con carica positiva. Il risultato fu un’equazione che descriveva sia la materia che l’antimateria in termini di campi quantistici. Questo lavoro fu un vero trionfo storico, perché fu confermato sperimentalmente e inaugurò un nuovo modo di pensare alle particelle e ai campi.
Nel 1932, Carl Anderson scoprì il positrone mentre misurava i raggi cosmici in un esperimento della camera di Wilson. Nel 1955 al Bevatron di Berkeley, Emilio Segre, Owen Chamberlain, Clyde Wiegand e Thomas Ypsilantis scoprirono l’antiprotone. E nel 1995 al CERN, gli scienziati hanno sintetizzato per la prima volta degli atomi di anti-idrogeno.
Quando una particella e la sua antiparticella si scontrano, si annichiliscono in energia, che viene trasportata da particelle “messaggere di forza” che possono successivamente decadere in altre particelle. Per esempio, quando un protone e un anti-protone si annichilano ad alte energie, può essere creata una coppia quark top-anti-top!
Un enigma intrigante sorge quando consideriamo che le leggi della fisica trattano materia e antimateria in modo quasi simmetrico. Perché allora non abbiamo incontri con anti-persone fatte di anti-atomi? Perché le stelle, la polvere e tutto ciò che osserviamo è fatto di materia? Se il cosmo è iniziato con quantità uguali di materia e antimateria, dov’è l’antimateria?
Sperimentalmente, l’assenza di radiazione di annichilazione dall’ammasso Virgo mostra che poca antimateria può essere trovata entro ~ 20 Megaparsecs (Mpc), la dimensione tipica degli ammassi galattici. Anche così, esiste un ricco programma di ricerche di antimateria nella radiazione cosmica. Tra gli altri, i risultati dell’High-Energy Antimatter Telescope, un esperimento di raggi cosmici su pallone, così come quelli di 100 ore di dati dell’Alpha Magnetic Spectrometer a bordo dello Space Shuttle della NASA, supportano la dominanza della materia nel nostro Universo. I risultati del Compton Gamma Ray Observatory orbitante della NASA, tuttavia, stanno scoprendo quelle che potrebbero essere nuvole e fontane di antimateria nel centro galattico.
Abbiamo affermato che esiste una simmetria approssimativa tra materia e antimateria. Si pensa che questa piccola asimmetria sia almeno in parte responsabile del fatto che la materia sopravviva all’antimateria nel nostro universo. Recentemente sia l’esperimento NA48 al CERN che l’esperimento KTeV al Fermilab hanno misurato direttamente questa asimmetria con sufficiente precisione per stabilirla. E una serie di esperimenti, tra cui l’esperimento BaBar allo Stanford Linear Accelerator Center e Belle al KEK in Giappone, affronteranno la stessa questione in diversi sistemi di particelle.
L’antimateria ad energie più basse è usata nella tomografia ad emissione di positroni (vedi questa immagine PET del cervello). Ma l’antimateria ha catturato l’interesse del pubblico soprattutto come combustibile per l’astronave immaginaria Enterprise di Star Trek. Infatti, la NASA sta prestando attenzione all’antimateria come possibile combustibile per la propulsione interstellare. Alla Penn State University, il gruppo Antimatter Space Propulsion sta affrontando la sfida di usare l’annichilazione dell’antimateria come fonte di energia per la propulsione. Ci vediamo su Marte?
Risposta originariamente inviata il 18 ottobre 1999