Un'innovativa ausilia per il nucleo di antimateria nell'indagine della materia oscura sfuggente
Un gruppo di ricerca internazionale ha scoperto il nucleo atomico di antimateria più pesante mai registrato in un esperimento. Questa scoperta potrebbe gettare nuova luce sulla ricerca dell'elusiva materia oscura, la cui esistenza è prevista ma ancora non dimostrata.
L'antimateria ha da tempo affascinato i scienziati. Si teorizza che quantità uguali di antimateria e "materia normale" siano state create durante il Big Bang. Tuttavia, l'antimateria è scarsa nell'universo odierno. Un team del collaborazione STAR sta cercando di risolvere questo mistero eseguendo esperimenti utilizzando l'acceleratore di particelle del Brookhaven National Laboratory negli Stati Uniti. In questi esperimenti, hanno ora scoperto il nucleo atomico di antimateria più pesante finora, come dettagliato in uno studio pubblicato su "Nature". I coautori dello studio provengono dall'Istituto di Fisica Moderna (IMP) dell'Accademia Cinese delle Scienze.
Creazione di condizioni simili al Big Bang
Quando i nuclei atomici d'oro si scontrano quasi alla velocità della luce all'interno di un acceleratore di particelle, si ricreano le stesse temperature e pressioni estreme presenti nell'universo nei momenti successivi al Big Bang. Durante ogni collisione vengono prodotti migliaia di nuove particelle di materia e antimateria.
although matter and antimatter share the same fundamental components, the particles possess opposite electrical charges. For example, electrons are negatively charged, while their antiparticles, positrons, are positively charged.
Milioni di collisioni, centinaia di scoperte
Il team della collaborazione STAR ha spiegato di aver sparato circa sei miliardi di nuclei atomici d'oro per il loro esperimento, secondo "World of Physics." Quando le particelle attraversavano un gas in un campo magnetico, venivano lasciate tracce di diverse spessori, come spiegato in "The Conversation." Queste tracce si curvavano nel campo magnetico, con la materia e l'antimateria che reagivano in modo diverso: l'antimateria si muoveva in una direzione, mentre la materia si muoveva nella direzione opposta.
Il nuovo nucleo scoperto è stato chiamato antihypertritium-4. È composto da un antiprotonio, due antineutroni e un antihiperone, simile a un nucleo atomico tipico con tre neutroni, ma con uno sostituito da un iperone, rendendolo più pesante. Lo stesso vale per l'antimateria, il che ha portato alla scoperta del nucleo più pesante e insolito finora.
Considerando le rare condizioni necessarie per far confluire le antiparticelle in antihypertritium-4, i ricercatori hanno trovato solo 16 di questi nuclei atomici.
I ricercatori hanno anche studiato la durata di antihypertritium-4 rispetto a hypertritium-4, il suo "normale" omologo di materia. Non hanno trovato differenze.
Questo risultato conferma i modelli fisici stabiliti, che prevedono che le particelle di materia e antimateria si annichiliscano a vicenda, lasciando dietro di sé radiazione, quando si scontrano. Tuttavia, questa scoperta non spiega l'origine dell'"asimmetria." Secondo questi modelli, la materia e l'antimateria avrebbero dovuto annichilarsi completamente dopo il Big Bang.
Dati per la ricerca sulla materia oscura
Tuttavia, la scoperta della collaborazione STAR potrebbe aiutare a risolvere un enigma ancora più grande: il mistero della materia oscura. La sua esistenza viene inferita solo dal suo impatto sui movimenti delle stelle e delle galassie. Ad esempio, la densità di massa al centro delle galassie a spirale è più alta vicino ai bordi. Data questa densità, le velocità orbitali delle stelle dovrebbero diminuire verso i bordi, ma non lo fanno. Ciò suggerisce una materia invisibile responsabile di queste discrepanze.
Si stima che oltre l'80% della massa totale dell'universo sia costituita da materia oscura. Nonostante il suo ruolo significativo nella formazione del nostro universo, la sua composizione rimane sconosciuta.
Gli esperimenti a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS), come il Spectrometro Magnetico Alfa (AMS), cercano di fare luce sulla materia oscura. L'AMS cerca particelle ad alta energia dallo spazio esterno utilizzando un forte magnete per piegare le loro traiettorie. Proprio come in un acceleratore di particelle, le particelle di materia e antimateria si muovono in direzioni opposte.
L'AMS è particolarmente interessato all'antielio, che alcune teorie propongono sia prodotto quando le particelle di materia oscura collidono. La stessa reazione può verificarsi quando la radiazione cosmica ad alta energia interagisce con la materia.
Per distinguere tra le fonti cosmiche e terrestri di antielio, un esperimento al CERN Research Center utilizzando l'acceleratore di particelle ha già fornito dati preziosi. Collidendo protoni (componenti principali della radiazione cosmica) e atomi di piombo a velocità elevate, hanno determinato la probabilità di creare nuclei di antielio-3, consentendo di distinguere tra queste possibili fonti di antielio e rintracciarle fino alle loro potenziali regioni di origine.
La collaborazione STAR, utilizzando l'acceleratore di particelle del Brookhaven National Laboratory, ha condotto esperimenti che coinvolgono collisioni di nuclei atomici d'oro. Questi esperimenti coinvolgono acceleratori di particelle e altri apparati, ricreando condizioni simili al Big Bang e producendo un gran numero di particelle di materia e antimateria.
Il nucleo atomico di antimateria più pesante scoperto nello studio, antihypertritium-4, è stato creato da queste collisioni. L'acceleratore di particelle e l'apparato associato hanno giocato un ruolo cruciale nella creazione delle temperature e delle pressioni estreme necessarie per la formazione di questo nucleo raro.
