Rallentati atomi di anti-idrogeno fino allo zero assoluto

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Raggio laser inaugura l’era glaciale dell’antimateria, l’esperimento sulla copertina di Nature. Atomi di anti-idrogeno portati vicino allo zero assoluto tramite impulsi laser a 121.6 nm. Il risultato, mai raggiunto prima, è stato ottenuto dal team internazionale Alpha-Canada usando atomi di antimateria prodotta dall’esperimento Alpha del Cern e un laser canadese, e apre la strada all’interferometria antiatomica e alla creazione di molecole di antimateria.

Raffreddando l’antimateria con un raggio laser, un team internazionale di fisici è riuscito a portare atomi di anti-idrogeno – formati cioè da un positrone e un antiprotone – vicino allo zero assoluto. Il risultato è notevole, tanto da essersi guadagnato la copertina dell’ultimo numero di Nature. Si tratta infatti del primo esperimento riuscito di manipolazione dell’antimateria con tecnica laser. Un successo che apre la strada a nuovi sviluppi nello studio dell’antimateria e della fisica quantistica.
La copertina dell’ultimo numero di Nature, dedicata all’esperimento di raffreddamento laser dell’anti-idrogeno. Crediti: Nature
La copertina dell’ultimo numero di Nature, dedicata all’esperimento di raffreddamento laser dell’anti-idrogeno. Crediti: Nature

Ma come hanno fatto? E in che modo un raggio laser – spesso usato in campo industriale per riscaldare i materiali più resistenti fino a fonderli e vaporizzarli – può abbassare la temperatura? Per quanto paradossale possa sembrare, la tecnica del laser cooling – e in particolare quella del Doppler cooling – è in realtà ben nota: i laser vengono usati per raffreddare la materia da circa quarant’anni e per innumerevoli applicazioni, dagli orologi atomici ai computer quantistici.

Il principio di fondo si basa sul fatto che la temperatura di atomi e molecole è data dal movimento, dalla loro energia cinetica. Rallentarne il moto equivale dunque ad abbassarne la temperatura. E rallentarne il moto è possibile anche tramite un laser scegliendone in modo opportuno l’energia, e dunque la frequenza. Semplificando molto, e considerando un atomo di idrogeno: se la frequenza del laser è appena al di sotto di quella di transizione 1S – 2P, a causa dell’effetto Doppler si ecciteranno solo gli atomi in movimento verso la sorgente laser, gli unici per il quali la frequenza – spostata verso il blu dal loro stesso moto – risulterà sufficiente. Ma quando si disecciteranno, poiché il fotone verrà emesso in una direzione casuale, per effetto del rinculo tenderanno statisticamente a rallentare. L’effetto netto della sequenza di assorbimenti-emissione sarà così un abbassamento dell’energia cinetica media degli atomi opportunamente irraggiati, e dunque una riduzione della temperatura.

Rappresentazione artistica del movimento di un atomo di anti-idrogeno nella trappola magnetica Alpha, prima (in grigio) e dopo (in blu) il raffreddamento laser. Crediti: Chukman So/Triumf
Rappresentazione artistica del movimento di un atomo di anti-idrogeno nella trappola magnetica Alpha, prima (in grigio) e dopo (in blu) il raffreddamento laser. Crediti: Chukman So/Triumf

Tutto ciò con la materia, però. Con l’antimateria non era mai accaduto. Questa riportata sull’ultimo numero di Nature è stata la prima volta. L’antimateria, “elettricamente” parlando, è la controparte della materia: presenta caratteristiche e comportamenti quasi identici, ma carica opposta. Poiché si annichiliscono al contatto con la materia, creare e conservare atomi di antimateria è un’impresa incredibilmente complicata. Un’impresa nella quale eccelle l’esperimento Alpha, progettato proprio per intrappolare atomi di anti-idrogeno neutro assemblati combinando positroni con gli antiprotoni forniti dal deceleratore di antriprotoni del Cern.

Ed è proprio con atomi di anti-idrogeno prodotti dall’esperimento Alpha, “bombardati” da impulsi di 121.6 nm di lunghezza d’onda – corrispondente, non a caso, a una riga spettrale ben nota agli astronomi, la Lyman-alpha – generati da un laser canadese del progetto Haicu (Hydrogen Antihydrogen Infrastructure at Canadian Universities), che è stato possibile compiere l’esperimento.

«Manipolare l’antimateria con il laser è stato un sogno un po’ folle», dice Makoto Fujiwara, portavoce della collaborazione Alpha-Canada e sostenitore originale dell’idea del raffreddamento laser. «Sono entusiasta del fatto che il nostro sogno si sia finalmente avverato, grazie all’eccezionale lavoro di squadra di scienziati canadesi e internazionali».

«I risultati di oggi sono il culmine di un programma di ricerca e ingegneria durato anni, condotto all’Ubc ma sostenuto da partner di tutto il paese», ricorda Takamasa Momose, ricercatore dell’Università della British Columbia (Ubc, in Canada) e del team Alpha-Canada che ha guidato lo sviluppo del laser. «Con questa tecnica, possiamo ora affrontare misteri di vecchia data quali: come risponde l’antimateria alla gravità? O ancora: può l’antimateria aiutarci a comprendere le simmetrie in fisica? Trovare risposte a queste domande potrebbe alterare la nostra comprensione dell’universo».

Quanto alle applicazioni, sono tutte da inventare: per limitarsi a quelle suggerite dagli autori dello studio: “fontane” antiatomiche, interferometria antiatomica e creazione di molecole di antimateria.

Per saperne di più: Leggi su Nature l’articolo “Laser cooling of antihydrogen atoms”, di C. J. Baker, W. Bertsche, A. Capra, C. Carruth, C. L. Cesar, M. Charlton, A. Christensen, R. Collister, A. Cridland Mathad, S. Eriksson, A. Evans, N. Evetts, J. Fajans, T. Friesen, M. C. Fujiwara, D. R. Gill, P. Grandemange, P. Granum, J. S. Hangst, W. N. Hardy, M. E. Hayden, D. Hodgkinson, E. Hunter, C. A. Isaac, M. A. Johnson, J. M. Jones, S. A. Jones, S. Jonsell, A. Khramov, P. Knapp, L. Kurchaninov, N. Madsen, D. Maxwell, J. T. K. McKenna, S. Menary, J. M. Michan, T. Momose, P. S. Mullan, J. J. Munich, K. Olchanski, A. Olin, J. Peszka, A. Powell, P. Pusa, C. Ø. Rasmussen, F. Robicheaux, R. L. Sacramento, M. Sameed, E. Sarid, D. M. Silveira, D. M. Starko, C. So, G. Stutter, T. D. Tharp, A. Thibeault, R. I. Thompson, D. P. van der Werf e J. S. Wurtele

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