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Antiparticella

Che cosa è una antiparticella?

L'odierna teoria delle particelle elementari, fondata sul formalismo della teoria quantistica, associa a ogni particella elementare determinate proprietà fisiche rappresentate da enti matematici costruiti per mezzo delle grandezze che compaiono nell'equazione differenziale che descrive il comportamento fisico della particella stessa (ad esempio l'equazione di Dirac per la particella a spin ½, l'equazione di Klein-Gordon per la particella a spin O, ecc.).

Principi fondamentali di simmetria, che si ritengono validi nell'odierna fisica teorica, portano a prevedere, accanto a una data particella, anche un'altra particella (detta antiparticella) le cui proprietà si ottengono da quelle della prima applicando agli enti matematici associati a ogni grandezza fisica una particolare trasformazione denominata "coniugazione di carica".

Si noti che il termine antiparticella origina dal fatto che, come è previsto dalla teoria quantistica, ogni volta che una particella e la sua antiparticella vengono a contatto, esse si annichilano con liberazione di energia sotto forma di particelle diverse (fotoni per la coppia elettrone-positone, fotoni, mesoni e altre particelle per la coppia nucleone-antinucleone).

A ognuna delle particelle elementari corrisponde dunque un'antiparticella che possiede la stessa massa, lo stesso spin e la stessa vita media, mentre il numero leptonico, il numero barionico, il numero di stranezza, la terza componente dello spin isotopico, la carica elettrica e il momento magnetico, che sono altri parametri caratteristici di una particella elementare, sono, per l'antiparticella, uguali in valore assoluto, ma di segno opposto a quelli della corrispondente particella.

Una particella elettricamente neutra (e quindi priva di momento magnetico) non è fisicamente distinguibile dalla sua antiparticella, avendo entrambe carica elettrica nulla, ma è possibile distinguerle dalle reazioni nelle quali esse compaiono tenendo presenti i principi di conservazione che devono essere rispettati nelle reazioni tra le particelle.

Un'osservazione molto importante relativa alle particelle elementari cariche è che non sempre una particella carica ha per antiparticella la corrispondente particella con carica uguale e di segno opposto, ma deve essere rispettata anche la cosiddetta "coniugazione" di tutti gli altri parametri di cui si è detto sopra.

Antiparticelle e antimateria

L'antimateria non è altro che il complesso delle varie antiparticelle nello stesso modo che la materia è il complesso delle particelle ordinarie.

antimateria

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

Breve ricostruzione storica della scoperta dell'esistenza delle antiparticelle

Alla previsione teorica dell'esistenza delle antiparticelle si giunse per merito del fisico inglese P. A. M. Dirac, il quale, impostando un'equazione quantistica per descrivere relativisticamente lo stato di un elettrone, trovò che le soluzioni della sua equazione prevedevano per l'elettrone l'esistenza di stati a energia positiva e di stati a energia negativa.

Fu molto difficile per i fisici accettare la soluzione negativa dell'equazione di Dirac; ma Dirac stesso, con la sua "teoria dei buchi", ne diede una prima interpretazione.

Secondo tale teoria un elettrone con energia negativa rappresenta una particella avente la stessa massa dell'elettrone, ma carica uguale e di segno opposto, il cosiddetto positone; quando un elettrone positivo (positone) entra in collisione con uno negativo (negatone), in un processo chiamato annichilazione, entrambe le particelle scompaiono e la loro massa viene trasformata in energia di annichilazione che appare sotto forma di fotoni.

Inversamente un fotone di sufficiente energia passando in vicinanza del campo elettromagnetico di un nucleo atomico interagisce con questo per formare una coppia elettrone positivo - elettrone negativo.

Queste straordinarie previsioni trovarono conferma nel 1932, allorché il fisico americano C. D. Anderson dell'Istituto di tecnologia di California, osservando fotografie di tracce di raggi cosmici in una camera a nebbia munita di setti di piombo, poté identificare il positone.

Era a questo punto logico supporre che anche le altre particelle elementari avessero le corrispondenti antiparticelle e negli anni successivi, perfezionate le tecniche di rivelazione, i fisici poterono dimostrare sperimentalmente l'esistenza prima del muone μ- (quale antiparticella del muone μ+ scoperto nel 1937 dallo stesso Anderson e da S. H. Neddermeyer), poi del mesone π- (quale antiparticella del mesone π+), dell'antiprotone (quale antiparticella del protone scoperto) e dell'antineutrone (quale antiparticella del neutrone).

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