Materia e antimateria rispondono allo stesso modo alla gravità

Immagine dello scontro tra particelle utile per indagare la presenza di antimateria
La risultante dello scontro tra particelle accelerate nel large Large Hadron Collider al CERN di Ginevra. Credit: CERN

Materia e antimateria rispondono alla gravità allo stesso modo. Nell’ambito di un esperimento per misurare, i rapporti carica-massa di protoni e antiprotoni, il team BASE guidato da RIKEN al CERN, Ginevra, Svizzera hanno fatto questa importante scoperta.

Il dualismo materia e l’antimateria crea uno dei problemi più interessanti della fisica. Le particelle sono equivalenti, ma dove una particella ha una carica positiva, la sua antiparticella mostri una carica negativa. Uno dei grandi misteri della fisica odierna, noto come “asimmetria barionica”, mostra che nonostante le due particelle siano equivalenti, l’universo sembra composto interamente di materia, con pochissima antimateria. Naturalmente, gli scienziati di tutto il mondo stanno cercando punti di diversità, che potrebbero spiegare perché esistiamo.

La risposta alla gravità dell’antimateria

Gli scienziati hanno esplorato se la materia e l’antimateria interagiscono in modo simile con la gravità, o se l’antimateria sperimenta la gravità, in un modo diverso dalla materia, violando il principio di equivalenza di Einstein. Il team BASE ha dimostrato, entro limiti rigorosi, che l’antimateria in effetti risponde alla gravità allo stesso modo della materia. La scoperta, pubblicata su Nature (rif.),come spesso accade nelle scienze, proviene in realtà da un esperimento, che esaminava i rapporti carica-massa di protoni e antiprotoni.

Questo lavoro ha comportato 18 mesi di lavoro presso la fabbrica di antimateria del CERN. Per effettuare le misurazioni, il team ha confinato gli antiprotoni e gli ioni idrogeno caricati negativamente in una trappola di Penning. In questo dispositivo, una particella segue una traiettoria ciclica che si adatta all’intensità del campo magnetico della trappola e al rapporto carica-massa della particella. 

Sezione dell'acceleratore di particelle al CERN di Ginevra.
Sezione dell’acceleratore di particelle al CERN di Ginevra.

Alimentando gli antiprotoni e gli ioni di idrogeno con carica negativa nella trappola, hanno misurato, in condizioni identiche, le frequenze del ciclotrone dei due tipi di particelle, confrontando i loro rapporti carica-massa. “In questo modo siamo stati in grado di ottenere un risultato sostanzialmente equivalente, a un grado quattro volte più preciso delle misure precedenti. A questo livello di invarianza CPT, causalità e località valgono nelle teorie dei campi quantistici relativistici del Modello Standard” ha ribadito Stefan Ulmer, il leader del progetto,

Il teem di ricerca ha utilizzato le misurazioni per testare una legge fisica fondamentale nota come principio di equivalenza debole. Secondo questo principio, corpi diversi nello stesso campo gravitazionale dovrebbero subire la stessa accelerazione in assenza di forze di attrito. Poiché l’esperimento è avvenuto sulla Terra, le misurazioni sono state effettuate nel campo gravitazionale sulla superficie terrestre.

Le conclusioni dello studio

Campionando il campo gravitazionale della Terra, gli scienziati hanno scoperto che la materia e l’antimateria rispondevano alla gravità allo stesso modo fino a un grado di tre parti su 100. Questo significa che l’accelerazione gravitazionale della materia e dell’antimateria sono identiche entro il 97% dell’accelerazione sperimentata.

Ulmer aggiunge che queste misurazioni potrebbero portare ad un evoluzione della fisica moderna. “L’accuratezza del 3% dell’interazione gravitazionale ottenuta in questo studio è paragonabile all’obiettivo di precisione dell’interazione gravitazionale tra antimateria e materia che altri gruppi di ricerca intendono misurare utilizzando atomi di anti-idrogeno in caduta libera. Se i risultati di il nostro studio differisce da quelli degli altri gruppi, potrebbe portare all’alba di una fisica completamente nuova”.

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