Antiparticella

Per ogni tipo di particella, c'� una antiparticella associata con massa uguale e cariche debole, forte ed elettromagnetica, nonché spin, opposte. Alcune particelle, ad esempio i fotoni, non hanno un'antiparticella distinta, o per dirla diversamente, sono identici alla loro antiparticella.

Coppie particella-antiparticella sorgono dalla pura energia e si annichiliscono per tornare pura energia, in genere in forma di fotoni. Le antiparticelle sono prodotte dalle reazioni nucleari e dai raggi cosmici. Similmente alla materia, l'antimateria � una collezione di antiparticelle, in particolare di antiprotoni, antineutroni e positroni.

L'esistenza delle antiparticelle fu predetta da Paul Dirac pochi anni prima della scoperta della prima di esse, l'antielettrone o positrone. L'idea nacque dall'esistenza di stati di energia negativi, che in un universo relativistico non poteva essere esclusa a priori. Poich� gli elettroni normalmente cercano lo stato energetico inferiore, Dirac immaginò che questi stati ulteriori dovessero essere riempiti da quelle che sono chiamate particelle virtuali. In quel caso, una particella virtuale poteva essere promossa ad uno stato di energia positivo, creando una particella reale e lasciando un buco che si sarebbe comportato in modo uguale, ma con carica opposta.

Storia

Gli esperimenti con l'antimateria risalgono all'uso delle camere a nebbia, in cui elettroni (o positroni) muovendosi attravero il gas lasciano scie dietro di loro. In origine, i positroni, a causa delle forze elettromagnetiche che agiscono su di essi, furono scambiati per elettroni che si muovevano in direzione opposta.

Si � tentati, a volte, di pensare che l'antimateria consista di energia negativa, o addirittura di massa negativa. Questo non può essere vero. Quando materia ed antimateria collidono, l'energia rilasciata � la somma di mc² delle due particelle (pi� precisamente, la somma di √(p²c² + m²c⁴) delle particelle. Se l'antimateria avesse energia negativa, l'energia rilasciata dalla collisione delle particelle sarebbe ugale a 0, poich� energia positiva e negativa si annullerebbero.

Originariamente l'idea dell'antimateria venne a Dirac quando vide la forma reale dell'equazione E = mc², ovvero E² = p²c² + m²c⁴ e realizzò che "²" significa che l'equazione per l'energia ha due soluzioni, una negativa ed una positiva. In questo caso, poich� gli elettroni cercano sempre di riempire lo stato energetico pi� basso possibile, non sembrava esserci niente che fermasse tutti gli elettroni dell'universo dal precipitare negli stati di energia negativa. Egli allora propose un mare di elettroni negativi che riempirebbe l'universo, occupando tutti gli stati di energia pi� bassi. Se però una particella riceve abbastanza energia, ad esempio, da un fotone, salta fuori dal mare di energia negativa per diventare una particella di energia positiva. Questo salto, però, lascia un buco nel mare di energia negativa, uno spazio di energia nulla, che secondo la matematica, si comporta esattamente come un elettrone, ma con carica positiva. Se un elettrone dovesse colpire quest'area di energia nulla, un nuovo stato energetico negativo inferiore diverrebbe disponibile e l'elettrone emetterebbe abbastanza energia per farlo passare a quello stato, sparendo nel mare di energia.

In laboratorio, questo apparirebbe come un fotone che durante il suo movimento si divide improvisamente in un elettrone e in un positrone. Il positrone, quindi andrebbe a colpire un altro elettrone (o quello stesso) e dal loro annichilimento ci sarebbe rilascio di energia.

Questa teoria dell'antimateria � completamente conforme a quanto osservato in laboratorio, e teoricamente, l'antiparticella dovrebbe mostrare anche una forza gravitazionale normale.

Nessuno (nemmeno Dirac) era molto soddisfatto dell'idea di un universo riempito completamente da questo mare di elettroni negativi, particolarmente perch� i bosoni hanno antiparticelle, per le quali la teoria del buco non � applicabile. Richard Feynman poco tempo dopo, dimostrò che l'equazione dell'energia non ha soluzioni in cui l'energia positiva si muove indietro nel tempo ed in cui l'energia negativa si muove avanti nel tempo. Una particella con energia negativa che andasse indietro nel tempo apparirebbe esattamente come una particella positiva che andasse avanti nel tempo fatta eccezione per la sua polarizzazione, questo causerebbe due particelle della stessa carica che viaggiano nel tempo in direzioni diverse che si attraggono elettromagneticamente.

Come si concilia questo con l'idea dell'antimateria?

Ammettiamo di avere un elettrone che viaggia in avanti nel tempo e che emetta un fotone con abbastanza energia e nella direzione giusta per spingerlo indietro nel tempo. Dopo un po' emette un altro fotone che lo manda nuovamente avanti nel tempo.

Per noi che viaggiamo nel tempo solo in avanti, in t1 vedremmo un fotone dividersi il due particelle, un positrone ed un elettrone. L'elettrone si sposta verso destra mentre il positrone si muove verso sinistra collidendo in t5 con un altro elettrone regolare e rilasciando energia.

Nella realtà l'elettrone comincia all'estremità sinistra muovedosi avanti nel tempo, poi emette abbastanza energia per saltare ad uno stato di energia negativo. Può farlo solo se emette un fotone di enrgia tale che lo manda indietro nel tempo, una possibilità molto remota. Poi continua indietro nel tempo con energia negativa. Visto da un osservatore per cui il tempo si muova in direzione opposta, appare come una particella di energia positiva che si muove nella direzione opposta.