Presentazione di PowerPoint

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MATERIA
ANTIMATERIA
e
Marco Napolitano Dipartimento di Scienze Fisiche
Università Federico II - Napoli e Istituto
Nazionale di Fisica Nucleare Sezione di Napoli
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Due rivoluzioni del pensiero scientifico nella
prima parte del 900

• Teoria della relatività
• 1905 Albert Einstein Elettrodinamica dei Corpi
  in Movimento
• Atto di nascita della relatività speciale e del
  concetto di equivalenza massa-energia (Emc2)
• Meccanica quantistica
• 1923 Louis de Broglie ipotesi ondulatoria
  dellelettrone
• La via è aperta poi Schroedinger, Heisenberg.
• Evoluzione naturale matrimonio tra relatività
  e meccanica quantistica
• 1928 P. A. M. Dirac teoria relativistica
  dellelettrone
• ? previsione dellantielettrone
  (positrone)

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Meccanica classica ? meccanica quantistica non
relativistica
Particella libera
ovvero
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Meccanica relativistica ? meccanica quantistica
relativistica
Particella libera

• Cosa fare con Elt0 ?
• aspetti sconcertanti!

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Come interpretare gli stati ad energia negativa?

• Classicamente non cè problema
• Basta ipotizzare che in un certo istante tutte le
  particelle dellUniverso si siano trovate in
  stati di energia positiva!
• Possiamo, allora, semplicemente ignorare gli
  stati con energia negativa
• In meccanica quantistica la situazione è più
  complicata
• lemissione di un quanto di sufficiente energia
  (Egt2mc2) può portare una particella da uno stato
  con Egt0 ad uno stato con Elt0!!
• ?Tutte le particelle transirebbero verso stati
  ad energia negativa sempre più bassi!!!!

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Dirac ricorse al principio di esclusione di Pauli
(1925)

• Vuoto tutti gli stati con Elt0 sono occupati da
  un elettrone
• Situazione assolutamente stabile.
• Nulla può accadere!

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e se uno stato con Elt0 fosse vuoto?

• Sottraiamo energia un elettrone scende e la
  lacuna sale
• la lacuna rallenta
• Cediamo energia un elettrone sale e la lacuna
  scende
• la lacuna accelera
• Mettiamo un campo elettrico E
• La lacuna si muove nel verso di
  E come se avesse carica positiva
• La lacuna è una sorta di immagine in negativo
  dellelettrone
• è un antielettrone (o positrone)

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Esiste veramente il positrone? Possiamo
osservarlo?

• SI! Osservato per la prima volta da Anderson e
  Neddermayer nel 1932.
• ..possiamo crearlo! .Come?
• Non così !
• ma trasferendo al vuoto abbastanza energia da
  permettere ad un elettrone di transire da uno
  stato con Elt0 ad uno con Egt0
• Osserveremo, però, contemporaneamente un
  elettrone e un positrone
• Creare materia è possibile solo a coppie
  particella-antiparticella!!

...
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Cosa può accadere se sono contemporaneamente
presenti un elettrone e un positrone?

• Lelettrone può andare ad occupare lo stato con
  Elt0 libero emettendo energia
• Scompaiono un elettrone e un positrone
  (annichilazione particella-antiparticella)
• Ecco perché non si osservano positroni nella
  materia intorno a noi!

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Si, va bene,il positrone.ma lantimateria?

• Per la teoria di Dirac anche il protone e il
  neutrone debbono avere le rispettive
  antiparticelle
• 1955 Chamberlain, Segré, Wiegand e Ypsilantis
  producono e rivelano lantiprotone ( ).
• 1956 Cork, Lamberston, Piccioni e Wenzel
  producono e rivelano lantineutrone ( ).
• Con e abbiamo gli ingredienti per possibili
  antinuclei e, con laggiunta di e, per possibili
  antiatomi
• 1965 Al CERN viene prodotto antideutone
• 1995 Al CERN viene prodotto antiidrogeno
• Ecco lantimateria!

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Particella e antiparticella sono esattamente
luna limmagine in negativo dellaltra?

• La teoria di Dirac è perfettamente simmetrica se
• scambiamo particella con antiparticella
• e, al tempo stesso, cambiamo segno ai campi
  elettrici e magnetici
• specchio C (coniugazione di carica)
• Per tale teoria materia e antimateria sono
  simmetriche.
• Esiste tra loro una simmetria analoga alla
  simmetria destra-sinistra ovvero quella tra un
  oggetto e la sua immagine speculare
• specchio P (parità)

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La simm. materia-antimateria è solo una proprietà
della teoria di Dirac o è una legge della natura?

• Sapremmo fornire ad un extraterrestre di una
  lontana galassia (via una ipotetica radio) una
  prescrizione che gli permetta di comunicarci
• a) se nel suo mondo chiamano destra e
  sinistra quello che noi chiamiamo così e non
  viceversa
• b) se gli atomi di materia del suo mondo sono
  fatti di p, n ed e- come i nostri o piuttosto di
  anti-p, anti-n e e.
• Considerando solo fenomeni gravitazionali ed e.
  m. la risposta è NO nellambito di tali fenomeni
  le simmetrie C e P sono esatte.

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C e P non sono, però, sempre esatte!

• Sia C che P sono violate in particolari processi
  fisici (processi deboli) dei quali un tipico
  esempio è
• n?pe- (decadimento beta)
• Tuttavia ciò non rimuove la simmetria materia
  antimateria a meno che risulti non esatta la
  simmetria tra un processo fisico e la sua
  immagine ottenuta per riflessione attraverso lo
  specchio C, prima, e lo specchio P, dopo, o
  viceversa (simmetria CP)
• CP violata seppur di pochissimo in processi
  deboli (Cronin et al. 1964)
• Per es. quando il mesone KL si disintegra la
  probabiltà di emettere un e è leggermente
  maggiore di quella di emettere un e-
• Abbiamo un modo assoluto per distinguere
  elettroni da antielettroni e, quindi, materia da
  antimateria!!
• Ora possiamo distinguere anche la destra dalla
  sinistra!

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Luniverso è fatto solo di materia?

• Sembra di si!
• Come mai solo materia?
• a) Già allinizio la quantità di materia era
  (leggermente) superiore a quella di antimateria
• Lantimateria è scomparsa per annichilazione con
  una quantità equivalente di antimateria.
• b) Luniverso è partito simmetrico tanta
  lantimateria quanto la materia
• Il sopravvento della materia sullantimateria è
  dovuto alla piccola violazione di CP
• Non basta, è anche necessario che il numero
  barionico non sia esattamente conservato
• Implica instabilità della materia il protone
  potrebbe disintegrarsi in particelle più leggere
  ( molto molto raramente t gt1032 anni)

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Lantimateria è solo roba per i fisici?

• certo lantimateria e i processi che la
  coinvolgono costituiscono uno dei principali
  strumenti per studiare le leggi della natura
• . però, ha affascinato e continua ad affascinare
  tantissimi non fisici
• Limmaginazione di scrittori (Williamson, Asimov,
  Van Vogt, Shaw, Brown,..) ha prodotto visioni di
  antimondi, antistelle e antiuniversi, sorgenti di
  energia potentissime basate su annichilazione
  materia-antimateria, navi spaziali più veloci
  della luce spinte da tale energia, ..

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Allora, è roba per fisici e scrittori e lettori
di fantascienza?

• Direi, proprio, NO!
• Intanto produce conoscenza Bene Primario
• Stimola lo sviluppo di tecnologie
• Ma non solo
• Cè una concreta applicazione La PET, basata su
  emissione e annichilazione di antielettroni
• Cè chi pensa seriamente (non solo a fini
  fantascientifici) alluso degli anti-p (e
  dellanti-H) in campi applicativi

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Quali applicazioni?
(G. Jackson, Hbar Technologies LLC, West Chicago
IL, USA)
...vedremo!..?
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a) Isotopi per la PET

• Usi PET diagnosi tumori cerebrali, masse
  polmonari, cancro del pancreas, malattie delle
  coronarie, metabolismo cerebrale del glucosio,
  flusso sanguigno locale.
• PET si basa sul fatto che isotopi quali 11C (td
  10 min), 15O (2 min), 18F (120 min) con emissione
  di positroni
• Luso di isotopi a breve vita porterebbe molti
  vantaggi cè però un problema di produzione
• Usando anti-p da una trappola questo problema
  potrebbe essere semplificato

(COMMERCIAL PRODUCTION AND USE OF ANTIPROTONS G.
Jackson, Hbar Technologies LLC, 1275 Roosevelt
Road, Suite 103, West Chicago IL, USA)
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b) radioterapia
un antiprotone che entri nel corpo umano con
una energia di 250 MeV o meno ha soltanto il 5
di probabilità di annichilazione prima che si
arresti nei tessuti I prodotti
dellannichilazione sono stati ben caratterizzati
e consistono in media di tre pioni carichi e due
neutri Il punto chiave della terapia con
antiprotoni è il rinculo di questo ione pesante.
Lo ione è prodotto con diversi MeV di energia
cinetica. Quando lantiprotone annichila con un
neutrone di un nucleo di carbonio, azoto o
ossigeno, viene prodotto un isotopo PET. Si
supponga, allora, di trattare un paziente in un
moderno apparato per diagnostica PET.
(COMMERCIAL PRODUCTION AND USE OF ANTIPROTONS G.
Jackson, Hbar Technologies LLC, 1275 Roosevelt
Road, Suite 103, West Chicago IL, USA)
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Propulsione spaziale

• Antimatter-Initiated Microfusion (AIM) - requires
  28.5 mg of antiprotons.
• ..The AIM process begins with the injection of
  1011 antiprotons into a Penning reaction trap
  that is roughly 0.5 cm in diameter. The
  double-nested potential well of depth 10 kV in
  the reaction region splits the beam of
  antiprotons into two clouds of approximately
  equal density. Fusion fuel droplets such as D3He
  or DT enter the reaction region juxtaposing the
  two clouds. These 42 ng droplets are coated with
  a thin layer of U238, so that collapsing the two
  antiproton clouds upon the fuel target will
  annihilate 5x109 antiprotons through a
  microfission process. The fission fragments heat
  the fuel core, fully ionizing the target
  components at a temperature of 10 eV. After
  increasing the well to 600 kV, it produces an ion
  temperature of 100 keV and density 6x1017
  ions/cm3.
• This satisfies the Lawson criterion for a full
  fusion burn.

K. J. Meyer., D. P. Coughlin.., K. J. Kramer...,
and G. A. Smith Propulsion Engineering Research
Center Penn State University