domenica 31 agosto 2014

Come scoprire se un extraterrestre è fatto di antimateria prima di stringergli la mano

Una cosa importante da sapere per evitare spiacevoli inconvenienti

Sebbene certi film e libri di fiction ce la descrivano come qualcosa ai limiti della conoscenza, l'antimateria è ben nota ai fisici da più di 80 anni, quando fu scoperta dopo che la sua esistenza era stata prevista dal grande fisico Paul Dirac. Oggi sappiamo che le leggi della natura ammettono per ogni tipo di particella l'esistenza di una sua antiparticella, un oggetto che ha la stessa massa ma proprietà (i cosiddetti numeri quantici) "opposte" alla particella in questione. Ad esempio l'antiparticella dell'elettrone, detta positrone, ha la stessa massa dell'elettrone ma carica elettrica opposta: l'elettrone ha carica negativa, il positrone positiva. Anche il neutrone, pur avendo carica elettrica nulla, ha una sua antiparticella, l'anti-neutrone, caratterizzata da altri tipi di numeri quantici comunque opposti nei due casi. E cosi via per i protoni, i pioni, i kaoni, e tutta la fauna delle particelle elementari conosciute: per ognuno di essi la natura ammette l'esistenza di un corrispettivo "anti".

Tuttavia, nonostante le leggi della natura ammettano l'esistenza dell'antimateria, l'universo sembra fatto soltanto di un tipo di materia, la nostra. Per motivi finora sconosciuti sembra che la natura abbia fatto una scelta: pur ammettendo nelle sue leggi l'esistenza dell'antimateria, non l'ha utilizzata per costruire gli oggetti macroscopici dell'universo, o per lo meno, se lo ha fatto, ha relegato gli "anti-oggetti" da qualche parte a noi lontana e sconosciuta. Al momento nessun esperimento ha mai mostrato indizi della presenza di agglomerati di antimateria nel cosmo.






Siamo però capaci di produrre artificialmente le antiparticelle tramite gli acceleratori di particelle, e siamo capaci di "assemblare" perfino anti-atomi di idrogeno, appiccicando assieme un anti-protone (ovvero il nucleo di un anti-atomo di idrogeno) e un positrone (che in un atomo di antimateria ha il ruolo che ha l'elettrone in un normale atomo di materia). Una procedura complessa, che viene utilizzata per studiare le proprietà di questa forma alternativa di materia. La complessità è tale che sin dalla sua scoperta si calcola che siano stati prodotti artificialmente non più di una decina di miliardesimi di grammo di antimateria.  Niente da mettere in valigia, quindi, per minacciare la distruzione del mondo come si raccontava nel libro/film Angeli e Demoni.

L'antimateria è però utilizzata anche per scopi pratici in tecniche diagnostiche come la PET (Positron Emission Tomography). Lo stesso corpo umano emette inoltre in modo del tutto naturale antimateria, al ritmo di 180 antiparticelle all'ora, provenienti dal decadimento radioattivo del Potassio 40, isotopo normalmente e naturalmente presente nell'acqua, nell'aria e nei cibi che ingeriamo. Inoltre troviamo un po' di antiparticelle nei raggi cosmici, principalmente frutto delle interazioni ad alta energia che avvengono fra i raggi cosmici primari provenienti dallo spazio e i nuclei che compongono gli strati alti dell'atmosfera. Dopodiché, per quello che riguarda l'antimateria, in giro non c'è granché.

Però, in linea di principio, nulla proibisce che da qualche parte dell'universo possano esistere aggregati di antimateria, magari stelle, pianeti, galassie, e, perché no, esseri viventi in carne ed ossa come noi fatti di anti-atomi. Infatti, nonostante questa manifesta assenza di antimateria nell'universo che conosciamo, materia e antimateria hanno proprietà perfettamente identiche. Un anti-atomo o un'ipotetica anti-molecola, e quindi anche un agglomerato macroscopico di antimateria, avrebbero esattamente le stesse proprietà del loro simile di materia. La luce emessa da un'anti-stella sarebbe quindi perfettamente indistinguibile da quella delle stelle che conosciamo, fatte con la "nostra" materia. Infatti anche i legami chimici fra anti-atomi sono gli stessi che fra gli atomi, e assolutamente indistinguibili da quelli che caratterizzano, ad esempio, le molecole del nostro corpo. Un anti-uomo quindi respirerebbe, si muoverebbe, si riprodurrebbe proprio come noi, senza darci il minimo appiglio per notarne una seppur piccola differenza. E quindi un eventuale extraterrestre fatto di antimateria sarebbe, da distante, assolutamente identico e indistinguibile, dal punto di vista chimico e fisico, da un nostro simile fatto di materia (le orecchie verdi , le otto bocche e le dodici paia di braccia sono un'altra questione). Da distante sarebbe perfettamente identico. Da distante!

C'è infatti un piccolo problema: avendo materia e antimateria numeri quantici opposti, se facciamo incontrare un atomo e un anti-atomo essi daranno luogo a uno stato con numeri quantici nulli: l'energia. Lo scontro, o anche solo l'incontro di materia e antimateria trasformano tutta la massa della materia e dell'antimateria in energia, ovvero in un lampo di raggi gamma. E se si tratta di due singole particelle, come avviene negli acceleratori, non è un problema di cui preoccuparsi, sarà comunque un'energia piccolissima perfino rispetto all'energia di una zanzara in volo (altrimenti, se così non fosse, saremmo uccisi dalle antiparticelle naturalmente emesse dal nostro corpo). Ma se a incontrarsi sono un uomo e un anti-uomo, ovvero due porzioni macroscopiche di materia, ognuna composta da un numero enorme di atomi e anti-atomi, l'energia che salterebbe fuori sarebbe pari alle peggiori esplosioni nucleari. Qualcosa assolutamente da evitare, insomma.

Quindi, per riassumere, se con i nostri telescopi stessimo osservando delle anti-galassie, non avremmo modo di capire la loro effettiva natura dalla luce che emettono e nemmeno dalle loro proprietà. Niente ci svelerebbe che sono fatte di antimateria fino a che non dovessero entrare in contatto con la materia di tipo opposto. In tal caso si osserverebbe una grande produzione di energia nelle zone di contatto. Questo ci garantisce ad esempio che è estremamente improbabile che esista un'anti-stella nella nostra galassia, perché essa sarebbe circondata da grande produzione di energia nelle zone di contatto con la materia ordinaria la quale, sebbene rara nello spazio interstellare, è comunque sufficientemente presente.

Però da qualche parte dell'universo potrebbero in linea di principio esistere grandi "bolle" isolate di antimateria, con annesse anti-galassie, anti-stelle, anti-pianeti e, magari, anche anti-extraterrestri. Anti-extraterrestri che però non saprebbero di essere "anti". Anche loro, come noi, si considererebbero fatti di materia, e si chiederebbero se quel pianeta blu che si vede piccolo piccolo nei loro telescopi sia fatto anche esso della stessa loro materia.

E allora supponiamo un giorno di scoprire l'esistenza degli alieni e, con la futura versione di whatsapp, che supporta il protocollo intergalattico, di entrare in contatto con uno di loro, ad esempio un certo Z_2_xksty (*) della galassia NGC7349. Cominceremmo a chattare, a fare amicizia, a raccontarci le nostre vite, i nostri hobby, per noi le collezioni di rosari dipinti a mano delle Edizioni del Prado, per lui i puzzle da 200 milioni di pezzi raffiguranti quadri di Pollock e i Bartezzaghi fatti a mente, e insomma, a parte il fastidioso ritardo di alcune decine di milioni di anni fra quando noi gli chiediamo qualcosa e quando lui ci risponde che non ha capito la domanda, magari cominceremmo anche a piacerci e infine, come spesso succede in queste relazioni telematiche, verrà a entrambi la voglia di incontrarsi.

A questo punto sorge il problema: e se Z_2_xksty fosse fatto di antimateria? Si passa sopra tutto: il colore della pelle verdino cangiante, le otto bocche, le squame sul collo, e perfino l'alito pesante dovuto all'alimentazione a base di idrocarburi, ma sulla questione dell'antimateria non si scherza! Abbracciare un anti-extraterrestre sarebbe infatti l'apoteosi del rapporto non protetto! E notate bene che non possiamo semplicemente chiedergli: "senti... ma tu sei fatto di materia o di antimateria?", perché lui non sa quale sia la materia e quale l'antimateria, essendo, per noi come per lui, solo una questione di convenzione.

Non potremmo neanche chiedergli se la carica elettrica di quelli che noi chiamiamo elettroni, le particelle leggere che compongono gli atomi del nostro e del suo corpo, è negativa come per noi, oppure positiva. Non potremmo chiederglielo perché positivo o negativo è anche esso una questione di semplice convenzione. E allora come si fa a sapere se possiamo invitare Z_2_xksty a casa nostra, o è meglio mantenere la conoscenza solo a livello epistolare? Per fortuna la scienza ci viene in aiuto, in modo da poter affrontare serenamente l'eventualità.

Infatti nel 1964 si è scoperto che esiste una particolarissima classe di fenomeni, legati alle cosiddette "interazioni deboli", nei quali la natura distingue la materia dall'antimateria. Ad esempio esiste una particella che si chiama "kappa zero", che può essere prodotta negli acceleratori di particelle. Questa particella, dall'istante in cui viene prodotta, vive pochissimo, in media appena una cinquantina di miliardesimi di secondo. Dopo questo tempo essa si trasforma in altre particelle (si dice che "decade", in gergo). Nel 5% dei casi essa decade emettendo particelle tra cui un positrone, ovvero l'antiparticella dell'elettrone, avente quindi carica elettrica positiva. Allo stesso modo l'anti-kappa zero, cioè l'antiparticella del kappa zero, decade emettendo un elettrone, che ha carica negativa (**).

Se la natura non facesse assolutamente nessuna differenza fra materia e antimateria, il numero dei casi in cui un "kappa zero" muore emettendo un positrone sarebbe identico al numero dei casi in cui un "anti-kappa zero" muore emettendo un elettrone, essendo uno l'antiparticella dell'altro. Invece gli esperimenti dimostrano che la natura preferisce, sebbene di pochissimo, il caso in cui il kappa zero decade emettendo un positrone rispetto all'anti-kappa zero che emette un elettrone. E' una differenza veramente irrisoria, misurabile solo con esperimenti molto raffinati e precisi, ma c'è. Questa subdola, infinitesima discriminazione che la natura mette in atto tra materia e antimateria si chiama, per chi ha voglia di approfondire, "violazione della simmetria CP". 

E quindi, per sapere se il nostro amico extraterrestre è fatto della stessa materia di cui siamo fatti anche noi oppure di antimateria, adesso la natura ci offre un modo per scoprirlo. Durante le nostre chiacchierate, mentre si parla che un giorno è caldo e quello dopo è freddo e non si sa più cosa mettersi, tutto quello che dobbiamo fare è buttare a un certo punto il discorso sulla fisica delle particelle (argomento di cui il nostro amico sarà sperabilmente ferratissimo!) e quindi chiedergli: "senti un po', Z_2_xksty, hai presente i kappa zero?". Se lui ci risponde "icappachiiiiiiiii????" è meglio se lasciamo perdere e tronchiamo il nostro rapporto telematico. Tanto che cosa ce ne faremmo dell'amicizia di un extraterrestre che non sa nemmeno cosa sono i kappa zero?

Ma mettiamo che il nostro amico invece ci risponda: "Certo che ho presente! Qui da noi li chiamiamo in un altro modo, ma sono quelli che, a seconda che uno consideri la particella o l'antiparticella, decadono emettendo a volte una particella del tipo di quelle leggere che sono dentro gli atomi, com'è che le chiamate voi?....elettroni? ecco, sì, elettroni, e a volte invece emettono anti-elettroni, anzi, pardon... positroni. Pero' non esattamente con la stessa probabilità: un caso è leggermente più frequente dell'altro!".
 "Perfetto! Vedo che hai capito in pieno cosa intendo", diremmo noi. E poi aggiungeremmo, con aria finto tonta: "eeeee..., senti maaa... fra i due modi di decadimento, a seconda che prendi il kappa zero o l'anti-kappa zero, o come li chiamate voi...., dimmi un po'... nel caso più frequente la carica elettrica di questa particella leggera che viene emessa è uguale o opposta alla carica elettrica degli elettroni che voi lassù avete negli atomi?".

Se ci risponde che è uguale, possiamo subito dirgli: "Ah, ho capito... Senti... adesso ho da fare perché ho messo su il ragù, guarda... ti richiamo io quando mi libero, okay ? No, no..., non ti stare a disturbare a richiamare tu, mi faccio vivo io". E non ci facciamo più vivi, e per precauzione cambiamo anche il numero di telefono. Magari se ne avrà a male. Magari si chiederà cosa avrà detto di sbagliato, in che modo ci può avere offeso, ma prima o poi se ne farà una ragione. Magari farà amicizia con quei gonzi di Alpha Centauri, che quelli danno l'amicizia a tutti e la violazione di CP non l'hanno ancora scoperta. Noi di sicuro quello che proprio vogliamo evitare è che un giorno Z_2_xksty si presenti alla nostra porta e appoggi il suo dito indice (uno a scelta fra i 36 che ha) sul nostro campanello. 

Perché se ha risposto che la carica elettrica di quello che noi chiamiamo elettrone, cioè la particella che fa parte degli atomi, in questo caso i SUOI atomi, è uguale alla carica elettrica emessa più di frequente nel decadimento del kappa zero, vuol dire che quello che si trova ne suoi atomi, cioè la SUA materia, è quello che noi chiamiamo positrone. Cioè, in buona sostanza, Z_2_xksty è fatto di antimateria rispetto a noi, e quindi è meglio che non decida di venirci a trovare. Certa gente è meglio perderla che trovarla!

Se invece ci dice che la carica è opposta allora è come noi, e quindi possiamo stare tranquilli, e magari darci appuntamento per incontrarci a metà strada. Ad esempio c'è una trattoria sulla galassia di Andromeda dove si spende il giusto e se si prenota all'aperto (per tempo perché è sempre piena di camionisti rettiliani) c'è una vista fantastica sulle Nubi di Magellano e si sta che è una delizia. Anche se, prima di andare a cena con uno che ha 8 bocche, io metterei bene in chiaro chi paga.

(*) I nomi propri fra gli extraterrestri devono avere non meno di 8 caratteri, tra cui una maiuscola, una minuscola, un carattere numerico e un carattere speciale, e devono essere cambiati ogni 3 mesi. In compenso le password presso gli alieni sono tipicamente brevi, non più di 4 o 5 caratteri, e facilmente intuibili per non dimenticarsele. "Mamma" e "casa" sono fra le piu' usate. Che volete farci, paese che vai, usanze che trovi.

(**) In realtà quello che si misura è il decadimentio del cosiddetto "kappa zero long" , che è una mistura di kappa zero e anti-kappa zero. Ho volutamente omesso questi dettagli che, sebbene importanti per un esperto, avrebbero inutilmente appesantito la spiegazione.

10 commenti:

  1. Se fosse di antimateria pure il suo WhatsApp viaggerebbe ad antiparticelle, quindi il problema non si può porre.

    RispondiElimina
    Risposte
    1. No perché Whatsapp usa onde elettromagnetiche che sono identiche se emesse da materia o antimateria. Quindi non potremmo usarlo per sapere se chi ha inviato il segnale è fatto di materia o antimateria. Così come i fotoni di una stella/galassia fatta di antimateria ci apparirebbero uguale a quelli emesse dalle stelle che conosciamo.

      Elimina
    2. No perché Whatsapp usa onde elettromagnetiche che sono identiche se emesse da materia o antimateria. Quindi non potremmo usarlo per sapere se chi ha inviato il segnale è fatto di materia o antimateria. Così come i fotoni di una stella/galassia fatta di antimateria ci apparirebbero uguale a quelli emesse dalle stelle che conosciamo.

      Elimina
    3. Però un essere fatto di antimateria, presumibilmente, si trova in un pianeta fatto di antimateria e respirerà una miscela di gas contenente antiossigeno (o quello che è), quindi non potrebbe nemmeno avvicinarsi alla nostra atmosfera.
      Bellissimo modo di divulgare la fisica, comunque! :)

      Elimina
    4. Sì, certo. Ovviamente il problema non si pone concretamente. È solo un pretesto per parlare di un fenomeno molto peculiare ma fondamentale della natura.

      Elimina
    5. Sì, certo. Ovviamente il problema non si pone concretamente. È solo un pretesto per parlare di un fenomeno molto peculiare ma fondamentale della natura.

      Elimina
    6. Sì, certo. Ovviamente il problema non si pone concretamente. È solo un pretesto per parlare di un fenomeno molto peculiare ma fondamentale della natura.

      Elimina
  2. Troppo complicato. Basterebbe darsi appuntamento a metà strada, sparare palloncini festosi nello spazio da entrambe le navicelle e se toccandosi esplodono salutarsi con rammarico. Poi ognuno a casa sua. Meglio no?

    RispondiElimina
  3. Splendido articolo, ma c'è una cosa che non mi convince nel metodo.
    Se è vero che "Per motivi finora sconosciuti sembra che la natura abbia fatto una scelta" [la materia e non l'antimateria], in un'ipotetica "grande bolla isolata di antimateria, con annesse anti-galassie, anti-stelle, anti-pianeti" quali prove abbiamo che il decadimento di kappa-zero (o di anti-kappa-zero) funzionerebbe secondo gli stessi modelli statistici di qui, se nessuno l'ha mai verificato?
    È po' aleatoria come deduzione, non trova?

    RispondiElimina
    Risposte
    1. Ovviamente se le leggi della natura fossero diverse tutto potrebbe essere diverso. Ma qui si ipotizza che le leggi siano le stesse, perche' quelle stesse leggi (le uniche che conosciamo) non vietano che possa esistere antimateria confinata da qualche parte. Infatti le leggi che conosciamo prevedono che materia e antimateria siano state prodotte ai primordi dell'universo in pari quantità, e non spiegano come mai l'antmateria sia praticamente scomparsa, dato che non fanno praticamente differenza fra materia e antimateria, a parte la storia dei kzero, che si chiama in gergo "violazione di CP". Per quello che ne sappiamo i kzero (o processi analoghi con altri tipi di particelle) sono i soli che ci permettono di distinguere materia da antimateria. Tutti gli altri fenomeni fisici sono identici nei due casi. Poi ovviamente il metodo descritto è puramente concettuale e vuole essere il pretesto per parlare di questa sottile distinzione che fa la natura. Il nostro anti-alieno farebbe una finaccia molto prima, anche se forse non cosi' tanto prima, se si pensa che la densità media dello spazio intergalattico è di 1 atomo di idrogeno ogni metro cubo, e nella galassia grossomodo di 1 atomo ogni cm cubo. Se è bravo a schivarli (e anche se non li schiva tutti un atomo che si annichila ogni tanto non è poi un problema, è come farsi una PET ogni tanto) ne può fare di strada prima di saltare in aria!

      Elimina