Chi ha scoperto l’antimateria?

Chi ha scoperto l’antimateria?

Scienza e Fisica Quantistica

È stato il grande fisico inglese Paul Dirac a postulare, nel 1928, l’esistenza dell’antimateria: ripercorriamo insieme la strada di questa straordinaria intuizione

Luigi Maxmilian Caligiuri – 03/10/2018

Il primo a postulare, dal punto di vista teorico, lesistenza dellantimateria fu, nel 1928, il
grande fisico inglese Paul Dirac, come possibile soluzione della sua omonima famosa equazione che
descrive il comportamento quanto-relativistico delle particelle caratterizzate da spin uguale a ½.
Prima della scrittura di tale equazione nessuno sospettava la possibile esistenza dellantimateria
e, in effetti, si assumeva semplicemente la validità della legge di conservazione della massa
(ossia delle particelle di materia). Ciò significava che tutta la massa presente nellUniverso
allinizio del tempo sarebbe rimasta la stessa in qualunque istante successivo, un concetto che si
sposava perfettamente con il modello di Universo statico e macroscopicamente immutabile comunemente
accettato a quellepoca. In questo senso, quindi, il principio della costanza della quantità totale di materia nellUniverso non poneva particolari problemi concettuali.

Tuttavia, la successiva scoperta della legge di Hubble, la relazione lineare che lega lo spostamento
verso il rosso (redshift) delle linee spettrali di emissione di una sorgente di luce alla distanza
dal punto di osservazione, ha fornito la prima indicazione sperimentale dellespansione
dellUniverso. In un modello di Universo in espansione, se si assume la conservazione della materia,
la presenza di questultima può essere solo interpretata come condizione iniziale per la sua
evoluzione successiva. Tuttavia lequazione di Dirac impone una mutazione radicale di tale
concezione. Per comprendere la rivoluzione concettuale introdotta dallequazione di Dirac è
necessario ricordare che, al tempo della sua formulazione, era nota lesistenza di due tipi di
particelle di materia soltanto, ossia elettroni e protoni mentre, per la definitiva accettazione
della scoperta del neutrone, si dovrà attendere sino al 1932. Lequazione di Dirac ebbe subito una
conferma sperimentale in quanto fu in grado di predire il corretto valore del momento magnetico
dellelettrone ma, allo stesso tempo, conteneva un profondo enigma la cui manifestazione più
evidente era costituita dalla previsione di stati caratterizzati da valori di energia negativi. Tale
questione è intimamente legata anche al significato che bisogna attribuire alla massa nellambito
della Teoria della Relatività Speciale di Einstein. Di fatto, questultima richiede che un qualsiasi
corpuscolo materiale, di massa m, possieda, anche se in quiete rispetto a un dato sistema di
riferimento inerziale, unenergia, detta energia a riposo, data dalla famosa equazione di
Einstein, che può essere considerata come latente allinterno del corpuscolo considerato. Nel caso
di un corpo in movimento, il quadrato dellenergia totale del corpo equivale alla somma del quadrato
dellenergia a riposo e del quadrato dellenergia cinetica. Il problema nasceva dal fatto che la
presenza di tale termine quadratico di energia nellequazione di Dirac implicava la presenza di
soluzioni, per il valore dellenergia totale, sia positive sia negative (essendo il quadrato di una
quantità negativa un valore positivo al pari del quadrato di una quantità positiva). Tali stati
appaiono tuttavia innaturali e non-fisici, atteso anche che nella comune esperienza quotidiana non
vi sono evidenze della presenza di valori di energia negativa per un corpo materiale isolato.

Ciò poneva quindi un serio problema dinterpretazione dellinsieme di tali stati a energia negativa
ovvero del cosiddetto mare di Dirac. Nel migliore dei casi tale circostanza poteva essere
interpretata come la necessità di ridefinire, in qualche modo, lo stato di vuoto fisico e il
conseguente livello zero dellenergia delle particelle isolate mentre, nel peggiore dei casi, come
la presenza di un difetto strutturale della teoria la quale non ammetteva, in tal modo, uno stato
caratterizzato da un valore minimo di energia con la conseguenza, ad esempio, che un elettrone o un
protone avente un livello iniziale di energia positiva, avrebbero potuto scivolare spontaneamente
in uno stato di energia negativa cedendo la propria energia e rendendo così di fatto instabile tutta
la materia di cui siamo fatti e quella che ci circonda. Tuttavia la materia appare sostanzialmente
stabile e può apparire paradossale che lo stesso Dirac utilizzò tale condizione (di stabilità) come
presupposto fondamentale della sua teoria. Nel caso dei fermioni, ossia della particelle
caratterizzata da valori semi-interi dello spin (una proprietà tipica particelle quantistiche) la
soluzione alla questione della stabilità della materia è offerta dal famoso principio di
esclusione già formulato da W. Pauli secondo il quale due fermioni (come ad esempio due elettroni) non possono coesistere nello stesso stato quantistico.

Nella teoria di Dirac, il vuoto fisico non è considerato come effettivamente vuoto, ossia privo di
qualsiasi proprietà intrinseca, quanto piuttosto come una sorta di enorme contenitore (il mare
appunto) contenente un numero infinito di possibili stati quantici di energia negativa. La
superficie di questo mare corrisponde, in tale rappresentazione, al livello di zero dellenergia e
se si suppone che tutti i possibili stati a energia negativa siano occupati, ad esempio, da
elettroni, per il principio di Pauli nessun altro elettrone, dotato di energia negativa, potrebbe
scivolare nel mare stesso andando così a occupare un livello energetico negativo. Ciò
assicurerebbe, in tal modo, la stabilità della materia osservata nel mondo macroscopico. Tuttavia,
nellinterpretazione di Dirac, tale mare non è unentità statica e invariabile ma dinamica. Infatti,
secondo Dirac, se si fornisse sufficiente energia, ad esempio attraverso della radiazione
elettromagnetica di sufficiente frequenza, si potrebbe far saltare un elettrone da uno stato a
energia negativa a uno ad energia positiva, generando così un buco nel mare di Dirac ovvero ciò
che viene indicato come lacuna. Tale lacuna, ovvero la mancanza di una particella con carica negativa ed energia negativa verrebbe quindi interpretata, nella teoria, come la
materializzazione, a partire dal vuoto fisico, di una particella avente carica positiva ed energia
positiva ovvero di ciò che è denominato positrone (o elettrone positivo), che rappresenta, così, lanti-elettrone.

È proprio attraverso tale meccanismo che Dirac teorizza lesistenza dellantimateria, ossia, per
ogni particella di materia, della corrispondente anti-particella, avente massa uguale alla prima ma
carica elettrica uguale ed opposta in segno. Secondo questo schema, dunque, il rapporto tra materia
ed antimateria è caratterizzato da una completa simmetria tra i membri di una coppia
particella-antiparticella. Inoltre la stessa teoria prevede la possibilità, solo successivamente
verificata sperimentalmente, di generare, dal vuoto, una coppia elettrone-positrone in presenza di
una quantità sufficiente di energia sotto forma di radiazione elettromagnetica. Il processo è
spiegato nel modo seguente: la radiazione elettromagnetica rilascia la propria energia a un
elettrone che si trova in uno stato di energia negativa nel mare di Dirac che, di conseguenza,
salta in uno stato di energia positiva e carica negativa generando, al suo posto, una lacuna
(ossia una particella di energia positiva e carica positiva). La previsione teorica
dellantimateria, e in particolare dellesistenza di un anti-elettrone è parsa, alla maggior parte
dei fisici, nel periodo in cui è stata formulata, come unipotesi puramente fantascientifica. Si
deve ricordare. Infatti, allepoca, le uniche particelle elementari conosciute erano rappresentate
dal protone e dallelettrone le quali erano inoltre considerate come immutabili ed eterne. Al
contrario, la teoria di Dirac rappresentava una realtà nella quale particelle ed antiparticelle
possono scomparire e ricomparire dal nulla, convertendo la materia in pura energia e viceversa.
Inoltre uno dei fondamenti della teoria era costituito dalla perfetta simmetria tra particella e
relativa antiparticella e quindi dalla necessità che, per ogni particella di materia, dovesse
esistere una corrispondente antiparticella (di pari massa e carica elettrica opposta), principio
oggi considerato come una caratteristica fondamentale del comportamento della Natura.

In accordo con la rappresentazione di Dirac, oggi, infatti, assumiamo che il mare degli stati a
energia negativa sia in effettivamente popolato da tutte le possibili particelle elementari dotate
di massa (quark e leptoni) che, soddisfacendo al principio di Pauli, lo riempiono completamente.
Le interazioni tra particelle ed antiparticelle e i relativi fenomeni di annichilazione si
manifestano continuamente in natura e ciò ha fornito una conferma importante della teoria di Dirac.
Basti pensare, ad esempio, ai raggi cosmici ad alta energia che regolarmente penetrano latmosfera
terrestre interagendo con essa e producendo piccolissime quantità di antimateria rinvenibile nei
getti di particelle così generati che si annichilano, subito dopo, con la particelle di materia
presenti in atmosfera. Anche le esigue quantità di antimateria generate artificialmente in
laboratorio sono state sempre accompagnate dalla generazione di uneguale quantità di materia e dalla successiva quasi immediata annichilazione materia-antimateria.

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Scienza e Conoscenza – n. 62 – Rivista >> https://goo.gl/L8cGc8 Rivista trimestrale di Scienza Indipendente
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