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Antimateria

Che cos'è l'antimateria?

Da quando i fisici hanno dimostrato l'esistenza del positrone, dell'antiprotone e dell'antineutrone, che sono, rispettivamente, le antiparticelle (particelle coniugate rispetto alla carica nel senso che sono matematicamente descritte da una funzione d'onda che si ottiene da quella relativa alle corrispondenti particelle mediante una trasformazione detta "coniugazione di carica") dell'elettrone, del protone e del neutrone, è chiaro che, almeno in linea di principio, è possibile avere l'elemento coniugato rispetto alla carica di ogni atomo.

Tale atomo sarebbe conformato in modo del tutto analogo all'atomo consueto ma avrebbe ogni particella sostituita dalla sua propria coniugata rispetto alla carica; atomi di questo genere costituirebbero l'antimateria. Così, ad esempio, considerato che il comune atomo di idrogeno è costituito da un elettrone e un protone, l'antiatomo corrispondente, ovvero l'antiidrogeno sarebbe costituito da un positrone e un antiprotone. Come vedremo nel dettaglio più tardi, il suo simbolo chimico è Antiidrogeno, vale a dire, il simbolo dell'atomo corrispondente H con in più una barra di sovrascrittura.

antimateria

La materia è costituita da protoni, neutroni ed elettroni; l'antimateria è invece costituita da antiprotoni, antineutroni e antielettroni.

È stato possibile ottenere in laboratorio degli antideutoni, nuclei di 2H (formati da un antineutrone, un antiprotone e un positrone), e dei nuclei di antielio (un atomo di elio è costituito da due elettroni, due protoni e due neutroni; l'atomo di antielio è invece costituito da due positroni, due antiprotoni e due antineutroni).

Da quanto detto risulta chiaro che le leggi che governano la formazione degli antiatomi dalle corripondenti antiparticelle, sono simmetriche rispetto a quelle che governano la formazione degli atomi dalle corrispondenti particelle.

Una piccola curiosità: il termine antimateria fu coniato nel 1898 dal fisico tedesco Franz Arthur Friedrich Schuster, il quale sosteneva la possibilità dell'esistenza di un Sistema Solare costituito da antimateria, nel quale la gravità era di segno opposto rispetto a quella a cui noi siamo abituati, e quindi repulsiva.

Alla previsione teorica dell'esistenza dell'antimateria si giunse per merito del fisico britannico Paul Dirac (Bristol, 8 agosto 1902 – Tallahassee, 20 ottobre 1984), il quale impostò un'equazione quantistica per descrivere relativisticamente lo stato di un elettrone e trovò che le sue soluzioni prevedevano per l'elettrone l'esistenza di stati a energia positiva (materia) e di stati a energia negativa (antimateria). Qualche anno più tardi, con la sua "teoria dei buchi", diede una prima fondamentale interpretazione ai risultati della sua equazione.

Annichilazione materia-antimateria

Un atomo di materia e il suo corrispondente atomo di antimateria, se venissero a contatto, si annichilerebbero l'un l'altro, dando origine a mesoni o e ad altre particelle; ma tutte le particelle così prodotte si trasformerebbero in pochi microsecondi in raggi γ e neutrini. In ogni caso, nel processo di annichilazione, deve essere sempre rispettato il principio di conservazione della massa-energia.

Processo di annichilazione
Processo di annichilazione ottenuto dal contatto tra un atomo di materia e il suo corrispondente atomo di antimateria.

Stabilità dell'antimateria

L'antimateria non in contatto con la materia consueta sarebbe stabile ed esistono studi teorici sulla presenza nel cosmo di antimondi, prevalentemente costituiti di antimateria.

Quindi la materia è costituita da “particelle” che si trovano in superiorità nel nostro ambiente fisico, come gli elettroni e i protoni. In un simile ambiente le loro antiparticelle si annichilirebbero con le particelle di materia presenti, e sarebbero pertanto effimere.

Quali sono le particelle dell'antimateria?

Le particelle dell'antimateria sono dette antiparticelle; queste possiedono la stessa massa, lo stesso spin e la stessa vita media delle particelle corrispondenti ma differiscono per il numero leptonico, il numero barionico, il numero di stranezza, la terza componente dello spin isotopico, la carica elettrica e il momento magnetico; per l'antiparticella tali parametri caratteristici sono uguali in valore assoluto ma di segno opposto rispetto a quelli della particella corrispondente.

Ricordiamo infine che il simbolo impiegato per rappresentare una antiparticella è lo stesso impiegato per rappresentare la particella corrispondente ma con in più una barra di sovrascrittura. Così, ad esempio, considerato che il simbolo del neutrone è n, il simbolo dell'antineutrone sarà Simbolo antineutrone.

In modo alternativo, se la particella viene indicata con la sua carica elettrica (è il caso del protone il cui simbolo è p+), il simbolo dell'antiparticella sarà lo stesso di quello della particella corrispondente ma con la carica opposta; il simbolo dell'antiprotone sarà quindi p-.

Riassumendo

La materia è costituita da protoni, neutroni ed elettroni; l'antimateria è invece costituita da antiprotoni, antineutroni e antielettroni.

Un atomo di materia e il suo corrispondente atomo di antimateria, svenedo a contatto vanno incontro ad un processo di annichilimento.

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