Tutto è composto dalla materia. Ma sapete cosa è l'antimateria?

Qualcuno di voi avrà letto (o visto) Angeli e Demoni, secondo romanzo di Dan Brown, dopo “Il Codice da Vinci”. Tutta la storia ruota attorno ad un contenitore che grazie ad alcuni elettromagneti mantiene dell'antimateria confinata in sospensione, evitando che si trasformi nella più potente arma mai creata dall'uomo. Una bomba dalla potenza distruttiva superiore agli ordigni atomici all'uranio, al plutonio o all'idrogeno. Evitando eventuali spoiler, diremo solo che i protagonisti temono che la sua esplosione possa distruggere l'intero Vaticano, cuore dell'Urbe. È solo un romanzo, certo, e con molte incongruenze scientifiche. Eppure come in ogni racconto inventato, qualcosa di reale c'è.

L'antimateria infatti esiste, e molti di voi ci hanno già domandato cosa sia "o non sia". In questo articolo proveremo a spiegare cos'è. Spiegheremo come l'antimateria non abbia veramente nulla di speciale rispetto alla materia. La cosa potrebbe apparire noiosa. Ma spiegheremo anche che, allo stesso tempo, l'esistenza dell'antimateria ci pone davanti a una delle domande alle quali la fisica moderna non ha ancora dato una risposta. E questo è tutt'altro che noioso.

Partiamo dalle basi: cos'è l’antimateria? Dopo aver detto che il termine "espansione dell’Universo" è fuorviante, che i buchi neri non sono proprio "buchi", ci tocca anche dire che il termine "antimateria" può confondere. Può infatti suggerire che essa sia qualcosa di completamente diverso dalla materia, come quel prefisso "anti" potrebbe far pensare. Invece no. Il primo concetto da portare a casa è proprio questo: l'antimateria è governata dalle stesse leggi della fisica che governano la materia. In altre parole, l'antimateria risente dell'influenza delle quattro interazioni fondamentali della Natura: l'interazione elettromagnetica, quella forte, quella debole e l'interazione gravitazionale. E le equazioni che descrivono la dinamica indotta da queste interazioni sono le stesse sia per la materia che per l'antimateria.

Facciamo così: parliamo un po' di materia, così ci aiuterà a capire da dove viene quel prefisso "anti". Tutta la materia che conosciamo è formata dall’interazione di 17 particelle elementari (di cui avremo modo di parlare più in dettaglio in un altro articolo). Fra queste sicuramente conoscerete o avrete sentito parlare per esempio dell'elettrone, dei neutrini e del bosone di Higgs. Bene. Ognuna di queste particelle elementari ha un compagno di antimateria. Prendiamo l'elettrone, una particella con massa molto piccola e carica elettrica negativa. Negli anni trenta, alcuni esperimenti mostrarono l'esistenza di una particella con la stessa massa dell'elettrone, ma carica elettrica positiva. Questa particella fu battezzata "positrone" ed è il compagno dell'elettrone, nonché la prima particella di antimateria scoperta sperimentalmente. Dal punto di vista teorico, l'esistenza dell'antimateria era infatti stata predetta qualche anno prima da Paul Dirac, come conseguenza delle equazioni della meccanica quantistica.

Più in generale per ogni particella di materia esiste una particella con la stessa massa e con cariche di segno opposto. Abbiamo scritto cariche al plurale perché le particelle elementari non differiscono solo per massa e carica elettrica, ma anche per altre proprietà, che in termini tecnici si chiamano numeri quantici. Ancora più in generale, quindi, per ogni particella elementare esiste una particella con stessa massa, ma alcuni numeri quantici di segno opposto: l'antiparticella corrispondente. Da qui il famigerato prefisso anti, che sta un po’ banalmente per "di cariche opposte".

Ma perché allora queste particelle non vengono semplicemente annoverate tra quelle che chiamiamo particelle elementari? Il motivo è presto detto: stelle, galassie, pianeti, così come piante o batteri sono formati solo da particelle di materia. Sembra che la materia sia riuscita a mettersi insieme formando atomi e conseguenti strutture macroscopiche, mentre l'antimateria no. Le antiparticelle possiamo vederle in alcuni fenomeni naturali come raggi cosmici o alcuni decadimenti radioattivi, e vengono anche prodotte appositamente in esperimenti come quelli del CERN. Ma anche formare un solo atomo di antimateria è molto difficile. Il perché di questa asimmetria diventa ancora più sorprendente se consideriamo che le equazioni della meccanica quantistica dicono che ogni volta che una particella di materia si crea in un processo, si crea anche una corrispondente antiparticella. Anche questo fatto è stato confermato sperimentalmente innumerevoli volte. Cosa ha causato quindi questa asimmetria del nostro Universo? Perché l'antimateria sembra essere scomparsa? La risposta è semplice: non lo sappiamo! È uno degli affascinanti open-problems, dei problemi ancora aperti, della fisica moderna.

Concludiamo da dove siamo partiti: perché in "Angeli e demoni" l'antimateria è considerata così pericolosa? Il motivo risiede nel fatto che ogni volta che una particella elementare incontra una sua antiparticella, le due si annichilano a vicenda, rilasciando energia. Quanta energia ce lo dice la famosa equazione E = m c^2. Se un protone si annichila con un antiprotone, l'energia rilasciata è un decimiliardesimo di Joule, praticamente niente. Nel film in questione, però, dal CERN veniva rubato un contenitore con un chiletto di antimateria. Se una tale quantità venisse in contatto con materia ordinaria, l'energia sprigionata sarebbe pari a migliaia di volte quella sprigionata dalle bombe atomiche sganciate sul Giappone durante la seconda guerra mondiale. Più che sufficiente per spazzare via il Vaticano e non solo, anche dall'altezza alla quale il camerlengo riesce a portarla prima che l'annichilazione avvenga. Vabbè è pur sempre science fiction.

Ah, se qualcuno se lo stesse chiedendo: sì, al CERN producono antimateria, ma no, non ne immagazzinano chili per conquistare il mondo. Perché è praticamente impossibile farlo, lo spiega benissimo questo articolo al quale rimandiamo i più curiosi.

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