Spazio e Scienze

CERN da record, ma i misteri del Cosmo restano

Gli scienziati del CERN sono riusciti a ottenere la misurazione più precisa mai ottenuta del momento magnetico dell'antiprotone, permettendo un confronto fondamentale tra materia e antimateria. Il successo, ottenuto con l'esperimento BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) conferma quanto finora previsto da una delle simmetrie fondamentali del Modello Standard, ossia che i momenti magnetici del protone e dell'antiprotone sono identici, tranne che per i loro segni opposti, all'interno dell'incertezza sperimentale di 0,8 parti per milione. Un risultato che migliora di un fattore 6 la precisione della misura ottenuta mediante ATRAP nel 2013.

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Stefan Ulmer al lavoro sull'esperimento BASE. Foto: Brice, Maximilien

Il momento magnetico – una delle quantità fisiche che determina il comportamento di una particella immersa in un campo magnetico – è una delle caratteristiche intrinseche di una particella.

Infatti, sebbene particelle differenti abbiano un comportamento magnetico diverso, le conoscenze attuali prevedono che i momenti magnetici del protone e dell'antiprotone differiscano solo nel loro segno come conseguenza della cosiddetta simmetria CPT (carica-parità-tempo). L'eventuale differenza nelle loro grandezze sfiderebbe il Modello Standard della Fisica delle particelle e aprirebbe le porte a una nuova Fisica.

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Non è facile capire che cosa significhino questi numeri e queste sigle. Per questo abbiamo intervistato Valerio Mascagna, ricercatore del CERN, che ci ha spiegato come "avere una misura precisa del  momento magnetico dell'antiprotone è importante perché innanzi tutto queste costanti fisiche per la materia (in questo caso per il protone) sono state misurate tanto tempo fa e con altissima precisione. Queste costanti che conosciamo benissimo per la materia sono lo strumento di indagine perfetto per verificare se per l'antimateria sia la stessa cosa".

Perché altrimenti verrebbe messo in discussione il Modello Standard, corretto?

"Le leggi della fisica, per quello che sappiamo oggi, rispettano alcuni principi fondamentali e l'invarianza CPT è uno di essi. Il Modello Standard, la teoria più completa che abbiamo per descrivere il comportamento delle particelle elementari, non fa eccezione. La solidità di questa colonna portante della Fisica moderna viene continuamente messa alla prova da esperimenti sempre più sofisticati. Una violazione della simmetria CPT metterebbe in profonda crisi il modello nel suo intero, aprendo scenari completamente nuovi utili a investigare alcune domande aperte della Fisica.

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Nella nota ufficiale del CERN per esempio è citata la simmetria fra materia e antimateria nell'Universo, su scala cosmica: dai modelli attuali dell'Universo sappiamo che c'è una forte asimmetria fra materia e antimateria (molta più materia che antimateria, con una sproporzione immensa) ma attualmente non abbiamo una spiegazione al riguardo e non riusciamo a trovarla.  Per la Fisica che conosciamo adesso dovrebbe esserci un'eguale quantità di materia e antimateria!"

Come il risultato di questa ricerca migliora la nostra comprensione dell'Universo?

"Misurare con altissima precisione il momento magnetico dell'antiprotone significa confermare (perché per ora è tutto confermato) a un livello sempre maggiore l'invarianza CPT (in questo caso). La cosa interessante si verificherebbe nel momento in cui ci fosse una differenza fra la quantità dell'antiprotone rispetto a quella del protone, cosa che ancora oggi non è. Questi esperimenti mirano ad aumentare la precisione (attualmente alla settima cifra decimale) per andare a verificare se per caso emerga qualche discostamento".

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Foto: © Juric P / Depositphotos

BASE è uno degli esperimenti che sfruttano il deceleratore di antiprotoni (AD), una "fabbrica" unica di antimateria presso il CERN progettata specificamente per studiare le proprietà dell'antimateria e confrontarle con quelle delle normali particelle di materia.

Per eseguire gli esperimenti, BASE trasporta gli antiprotoni in una sofisticata "trappola" elettromagnetica in modo che essi non entrino in contatto con la materia e annichiliscano, e li raffredda alla temperatura di circa 1 grado sopra lo zero assoluto (grazie a questi dispositivi BASE è riuscito di recente a mantenere una serie di antiprotoni per più di un anno). 

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A questo punto gli antiprotoni possono essere studiati con grande precisione, e osservandone il movimento caratteristico all'interno del forte campo magnetico, è possibile determinare il momento magnetico dell'antiprotone.

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Valerio Mascagna ci spiega che "nella pratica questo esperimento è un grosso cilindro indicativamente delle dimensioni di un barile, all'interno del quale viene creato il vuoto e preparati forti campi elettromagnetici che costituiscono delle vere e proprie trappole per gli antiprotoni.

Quando gli antiprotoni vengono iniettati al suo interno, alcuni di essi rimangono imprigionati e vengono poi raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto. Quest'ultimo passaggio è fondamentale per ottenere misure di altissima precisione.

L'isolamento da qualsiasi fonte di disturbo è essenziale; se gli antiprotoni non fossero raffreddati sarebbero soggetti alla cosiddetta agitazione termica che renderebbe questo genere di misura impossibile.

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A questo punto gli antiprotoni quasi "fermi" vengono irradiati con delle radiofrequenze ben precise in modo da indurre delle oscillazioni i cui effetti possono essere misurati dagli strumenti intorno alle trappole. La ricerca di risonanze (modi caratteristici con cui l'antiprotone risponde alle sollecitazioni delle radiofrequenze), permette ai ricercatori di derivare in questo caso il momento magnetico. 

Un'alta precisione è raggiunta anche grazie al numero di volte che la stessa misura viene ripetuta. L'intero ciclo di misura viene replicato più volte al giorno, e la capacità di intrappolare lo stesso gruppo di antiprotoni fino ad un anno – risultato straordinario visto che parliamo di antimateria – fornisce un insieme di dati ad altissima affidabilità".

Tecniche simili sono già state applicate con successo in passato agli elettroni e alle loro controparti di antimateria, i positroni, ma gli antiprotoni presentano una sfida molto più grande perché i loro momenti magnetici sono notevolmente più deboli. La nuova misurazione ha richiesto una "bottiglia" magnetica appositamente progettata, che è più di 1000 volte più forte rispetto a quella impiegata negli esperimenti elettrone/positrone.

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Foto: © logos2012 / Depositphotos

Stefan Ulmer, portavoce della collaborazione BASE, ha spiegato nell'articolo pubblicato oggi sulla prestigiosa rivista Nature Communications, che "questa misura è attualmente il punto culmine di 10 anni di duro lavoro da parte del gruppo di lavoro di BASE. […] Insieme ad altri esperimenti AD stiamo davvero facendo rapidi progressi nella nostra comprensione dell'antimateria".

BASE dovrebbe ora essere impiegato per misurare il momento magnetico dell'antiprotone utilizzando una nuova tecnica di intrappolamento che dovrebbe consentire una precisione al livello di poche parti per miliardo, un metodo la cui "implementazione sarà molto più impegnativa rispetto a quello che è stato usato, e che per questo richiederà diversi passaggi aggiuntivi", ha aggiunto il primo autore dello studio Hiroki Nagahama.

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Mascagna aggiunge che si tratta di "sfide tecnologicamente rilevanti. Per aumentare di 6/7 volte la precisione sono stati necessari 4 anni, quindi si tratta di conquiste tecnologiche non irrilevanti. Anche perché con il protone si lavora agevolmente da anni, con l'antimateria (l'antiprotone in questo caso)  tutto è estremamente più difficile".

Che relazione c'è fra l'esperimento oggetto dell'annuncio di oggi e quello condotto dalla collaborazione ASACUSA a novembre 2016, in cui fu misurata con precisione senza precedenti la massa dell'antiprotone?

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"BASE e ASACUSA sono due esperimenti tecnologicamente molto diversi ma sono nello stesso campo. Si parla in entrambi i casi di misure ad altissima precisione sugli antiprotoni e una buona parte degli esperimenti confrontano informazioni note del protone con quelle degli antiprotoni. A seconda dell'aspetto che si vuole andare a indagare si usano tecnologie diverse, quindi strumenti e metodi diversi. Con ASACUSA si era misurata la massa, con tecniche completamente differenti da quelle usate da BASE. La differenza è sulla quantità fisica coinvolta, ma di base parliamo dello stesso campo di Fisica e nel lungo raggio è lo stesso tipo di indagine, si tratta sempre di un test dell'invarianza CPT".