Scoperto il nucleo di antimateria più pesante mai rilevato

Roma – Scoperto un nuovo tipo di nucleo di antimateria, il più pesante mai rilevato. A riuscire nell’impresa gli scienziati del Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC, – un “atom smasher” che ricrea le condizioni dell’universo primordiale. I risultati dello studio sono riportati sulla rivista Nature. Gli scienziati, attraverso sei miliardi di collisioni di nuclei atomici hanno individuato circa 16 particelle “anti-iperidrogeno-4, composte da quattro particelle di antimateria, un antiprotone, due antineutroni e un antiperone; questi antinuclei esotici sono noti come antiiperidrogeno-4. I membri della Collaborazione STAR di RHIC hanno fatto la scoperta utilizzando il loro rivelatore di particelle di dimensioni domestiche per analizzare i dettagli dei detriti della collisione. “Le nostre conoscenze fisiche sulla materia e sull’antimateria sono che, a parte il fatto di avere cariche elettriche opposte, l’antimateria ha le stesse proprietà della materia: stessa massa, stessa durata di vita prima di decadere e stesse interazioni”, ha detto Junlin Wu, collaboratore di STAR e studente laureato presso il Dipartimento congiunto di fisica nucleare dell’Università di Lanzhou e dell’Istituto di fisica moderna, in Cina. “Ma – ha continuato Wu – la realtà è che il nostro Universo è fatto di materia piuttosto che di antimateria, anche se si ritiene che entrambe siano state create in quantità uguali al momento del Big Bang, circa 14 miliardi di anni fa”. “Il motivo per cui il nostro universo sia dominato dalla materia è ancora una domanda irrisolta, e non conosciamo la risposta completa”, ha proseguito Wu. L’RHIC, una struttura dell’Office of Science del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, DOE, per la ricerca sulla fisica nucleare presso il Brookhaven National Laboratory del DOE, è un posto idoneo per lo studio dell’antimateria. Le collisioni di ioni pesanti, nuclei atomici privati dei loro elettroni e accelerati quasi alla velocità della luce, fondono i confini dei singoli protoni e neutroni degli ioni. L’energia depositata nella risultante zuppa di quark e gluoni liberi, i mattoni più fondamentali della materia visibile, genera migliaia di nuove particelle. Come nell’Universo primordiale, RHIC produce materia e antimateria in quantità quasi uguali. Il confronto tra le caratteristiche delle particelle di materia e antimateria generate in queste esplosioni di particelle potrebbe offrire indizi su qualche asimmetria che ha fatto pendere la bilancia a favore dell’esistenza della materia nel mondo attuale. “Per studiare l’asimmetria materia-antimateria, il primo passo è scoprire nuove particelle di antimateria”, ha affermato Hao Qiu, fisico e consulente di Wu all’IMP. “È questa la logica di base di questo studio”, ha aggiunto Qiu. I fisici di STAR avevano già osservato nuclei di antimateria creati nelle collisioni RHIC. Nel 2010 hanno rilevato l’antipertritone. Si trattava del primo caso di un nucleo di antimateria contenente un iperone, ovvero una particella contenente almeno un quark “strano” anziché i soli quark più leggeri “up” e “down” che compongono i normali protoni e neutroni. Poi, appena un anno dopo, i fisici dello STAR hanno battuto quel pesante record di antimateria rilevando l’equivalente di antimateria del nucleo di elio: l’antielio-4. Un’analisi più recente ha suggerito che anche l’anti-iperidrogeno-4 potrebbe essere a portata di mano. Ma, rilevare questo antipernucleo instabile, dove l’aggiunta di un antiperone, nello specifico una particella antilambda, al posto di uno dei protoni dell’antielio farebbe superare ancora una volta il detentore del record dei pesi massimi, segnando un evento raro. Perché ciò si verifichi sarebbe necessario che tutti e quattro i componenti, un antiprotone, due antineutroni e un antilambda, venissero emessi dalla zuppa di quark-gluoni generata nelle collisioni RHIC nel posto giusto, diretti nella stessa direzione e al momento giusto per raggrupparsi in uno stato temporaneamente legato. “È solo per caso che queste quattro particelle costituenti emergono dalle collisioni RHIC abbastanza vicine da potersi combinare per formare questo anti-ipernucleo”, ha dichiarato Lijuan Ruan, fisico del Brookhaven Lab e uno dei due co-portavoce della Collaborazione STAR. Per trovare l’anti-iperidrogeno-4, i fisici di STAR hanno esaminato le tracce delle particelle in cui decade questo anti-ipernucleo instabile. Uno di questi prodotti di decadimento è il nucleo di anti-elio-4 precedentemente individuato; l’altro è una semplice particella con carica positiva chiamata pione (pi+). “Poiché l’antielio-4 era già stato scoperto in STAR, abbiamo utilizzato lo stesso metodo usato in precedenza per raccogliere quegli eventi e poi ricostruirli con le tracce di pi+ per trovare queste particelle”, ha spiegato Wu. “La chiave era trovare quelle in cui le tracce delle due particelle hanno un punto di incrocio, o vertice di decadimento, con caratteristiche particolari”, ha commentato Ruan. “In altre parole, il vertice di decadimento deve essere abbastanza lontano dal punto di collisione da far pensare che le due particelle abbiano avuto origine dal decadimento di un antipernucleo formatosi subito dopo la collisione a partire da particelle inizialmente generate nel bolide”, ha precisato Ruan. Il gruppo di ricerca di STAR ha lavorato duramente per escludere la formazione di tutte le altre potenziali coppie di decadimento. Alla fine, la loro analisi ha portato alla scoperta di 22 eventi candidati, con un conteggio di fondo stimato a 6,4. “Questo significa che circa sei di quelli che sembrano decadimenti dell’anti-iperidrogeno-4 potrebbero essere solo rumore casuale”, ha affermato Emilie Duckworth, dottoranda alla Kent State University, il cui ruolo è stato quello di garantire che il codice del computer utilizzato per setacciare tutti questi eventi e individuare i segnali fosse scritto correttamente. I fisici sono certi di aver rilevato circa 16 nuclei di anti-iperidrogeno-4 effettivi; un risultato abbastanza significativo da indurre il gruppo STAR a fare un confronto diretto tra materia e antimateria. Gli scienziati hanno confrontato la durata di vita dell’anti-iperidrogeno-4 con quella dell’iperidrogeno-4, che è composto dalle varietà di materia ordinaria degli stessi blocchi di costruzione. Hanno anche messo in relazione i tempi di vita di un’altra coppia materia-antimateria: l’antipertritone e l’ipertritone. Nessuno dei due ha mostrato una differenza significativa, il che non ha sorpreso gli scienziati. Gli esperimenti, secondo quanto riportato dalla squadra di ricerca, erano un test di una forma particolarmente forte di simmetria. I fisici sono generalmente d’accordo nel ritenere che una violazione di questa simmetria sarebbe estremamente rara e non sarebbe la risposta allo squilibrio materia-antimateria nell’Universo. “Se dovessimo assistere a una violazione di questa particolare simmetria, in pratica dovremmo accantonare molte delle nostre conoscenze sulla fisica”, ha notato Duckworth. “Quindi – ha aggiunto Duckworth – in questo caso, è stato in qualche modo confortante che la simmetria funzioni ancora”. Il gruppo di scienziati ha convenuto che i risultati confermano ulteriormente la correttezza dei modelli fisici e rappresentano un grande passo avanti nella ricerca sperimentale sull’antimateria. Il prossimo passo sarà misurare la differenza di massa tra le particelle e le antiparticelle, cosa che Duckworth, che è stata selezionata nel 2022 per ricevere un finanziamento dal programma di ricerca per studenti laureati del DOE Office of Science, sta portando avanti. (30Science.com)