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Nuove tecnologie, Scienza

Angeli, demoni e l’antimateria – FAQs del CERN


CERN lhc acceleratori di particelle large hadron collider

Il laboratorio si trova vicino al centro di Meyrin

Circola in questi giorni che il CERN sia riuscito a produrre antimateria, la verità è che avviene da 70 anni e viene già utilizzata,la vera notizia è che il fatto che il CERN sia riuscito aconservarne, per la prima volta, una grossa (relativamente parlando) quantità ed a ritardare il loro decadimento per 170 millisecondi.

Ora, per evitare che le reminiscenze letterarie di coloro che hanno letto il libro di Dan Brown soverchi i fatti scientifici, contribuiamo a diffondere questa sessione di domande e risposte (aggiornato al 2008), che ho cercato di rendere al meglio in italiano (lo trovate in lingua originale sul sito del laboratorio a questo indirizzo)

Esiste il CERN?

Beh, sì. Guardando su una cartina potete vederci a sinistra e leggermente sopra il centro della città di Meyrin.

E’ situato in Svizzera?

Una parte è in Svizzera, una parte in Francia, attraverso la frontiera. Il CERN non è un istituto svizzero, un’organizzazione internazionale. Siamo molto vicino all’aeroporto internazionale di Ginevra.

Che cosa significa l’acronimo CERN?

Questa è una storia lunga, ma il nome del CERN deriva dal francese ‘Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire’.

Non consiste in edifici di mattoni rossi con scienziati vestiti di camici bianchi che portano in giro cartelle?

No, è piuttosto lontano dalla realtà, abbiamo per lo più edifici bianchi in cemento, gli scienziati indossano abiti di tutti i giorni e per lo più non trasportano cartelle.

E’ stato veramente inventato al CERN il web come afferma il libro?

Sì, in effetti, il Web viene dal CERN, è stato inventato qui da Tim Berners-Lee nel 1989.

L’antimateria esiste?

Sì, lo fa, e lo produciamo regolarmente al CERN. L’antimateria è stata ipotizzata da P.A.M. Dirac nel 1928 e le prime antiparticelle furono scoperte subito dopo da Carl Anderson. Il CERN non è l’unico istituto di ricerca a produrre e studiare l’antimateria.

Come viene trattenuta l’antimateria?

E ‘molto difficile contenere l’antimateria, perché qualsiasi contatto tra una particella e la sua anti-particella conduce alla loro annichilimento immediata.

Per quanto riguarda le particelle di antimateria elettricamente cariche sappiamo contenerli usando ‘trappole elettromagnetiche’. Queste trappole consentono di contenere fino a circa E12 (anti-) particelle della stessa carica. Tuttavia, le cariche uguali si respingono. Quindi non è possibile conservare una quantità molto maggiore di, ad esempio, antiprotoni perché le forze repulsive tra di loro sarebbero diventate troppo forti per i campi elettromagnetici atti a tenerli lontano dalle pareti.

Per anti-particelle e anti-atomi neutri, la situazione è ancora più difficile. E ‘impossibile l’uso di campi elettrici o magnetici per contenere antimateria neutrale, perché questi campi non hanno alcuna presa su di esse. Gli scienziati stanno lavorando sulle idee di usare ‘bottiglie magnetiche’ (con i campi magnetici non omogenei che agiscono sul momento magnetico), o ‘trappole ottiche’ (tramite il laser), ma questo è ancora sotto sviluppo.

Qual è il futuro impiego dell’antimateria?

Anti-elettroni (positroni) sono già utilizzati nei tomografi PET in medicina (Positron Emission Tomography, PET =). Un giorno potrebbe essere possibile usare antiprotoni per l’irradiazione dei tumori.

Ma l’antimateria al CERN è principalmente utilizzato per studiare le leggi della natura. Ci stiamo concentrando sulla questione della simmetria tra materia e antimateria. L’esperimento LHCb si confronta in particolare con il decadimento del b-quark e anti-b-quark. Alla fine anche noi speriamo di essere in grado di utilizzare gli atomi di anti-idrogeno come strumenti di alta precisione.

Esistono gli atomi di antimateria?

Il team dell’esperimento PS210 al Low Energy Antiproton Ring (LEAR) del CERN hanno prodotto i primi atomi di anti-idrogeno nel 1995. Poi, nel 2002 i due esperimenti (ATHENA e ATRAP) sono riusciti a produrre decine di migliaia di atomi di antidrogeno, in seguito addirittura milioni. Tuttavia, sebbene “decine di migliaia” possano sembrare tanti, sono davvero quantità molto piccole. Si avrebbe bisogno di 10.000.000.000.000.000 volte tale quantità prima di avere abbastanza gas anti-idrogeno per gonfiare un palloncino! Se potessimo in qualche modo conservare la nostra produzione giornaliera, ci vorrebbero parecchi miliardi di anni per riempire il palloncino. Ma l’universo esiste da solo 13,7 miliardi anni … Quindi lo scenario di Angeli e Demoni è pura finzione.

Possiamo sperare di usare l’antimateria come fonte di energia? Potrebbero fornire energia ai veicoli in futuro, o sarebbe solo utilizzato per le grandi centrali?

Non è possibile usare l’antimateria come ‘fonte’ di energia. A differenza dell’ energia solare, del carbone o del petrolio, l’antimateria non esiste in natura, dobbiamo prima produrre ogni singola antiparticella, e dobbiamo investire (molta) più energia di quella che ritorna durante annientamento.

Potete immaginare l’antimateria come un medium energetico, proprio come si immagazzina energia elettrica in batterie ricaricabili. Il processo di ricarica della batteria è reversibile con una perdita relativamente piccola. Ma ci vuole sempre più energia per ricaricare la batteria di quella che essa rilascia poi.

L’inefficienza della produzione di antimateria, invece, è enorme: si ottiene solo un decimo di un miliardo (-E10) dell’energia investita di nuovo. Se potessimo raccogliere tutta  l’antimateria che abbiamo fatto al CERN ed annichilirla con la materia, avremmo abbastanza energia per illuminare una lampadina elettrica per pochi minuti.

Speravo antimateria sarebbe la risposta futuro per il nostro fabbisogno energetico. Sembra più ricerca è necessaria perché questo avvenga.

No, nessuna ricerca può cambierà sostanzialmente questa situazione; antimateria non è sicuramente in grado di risolvere i nostri problemi energetici. Prima di tutto c’è bisogno di energia per fare antimateria (E = mc^2) e purtroppo non si ottiene la stessa quantità di energia di nuovo fuori di esso. (Vedi sopra, i fattori di perdita sono enormi.)

Inoltre, la conversione da energia a materia e antimateria segue certe leggi della natura, che generano anche molte altre particelle ed anti-particelle, ma dotate di una vita molto breve (ad esempio, i muoni, pioni, i neutrini). Queste decadono rapidamente durante il processo di produzione, e la loro energia è persa.

L’antimateria potrebbe diventare una fonte di energia, se ci capitasse di trovarne una grande quantità da qualche parte (ad esempio, in una galassia lontana), allo stesso modo in cui si trova petrolio e ossigeno sulla Terra. Ma, fin dove possiamo vedere (miliardi di anni luce), l’universo è interamente fatto di materia normale, e l’antimateria deve essere faticosamente creato.

A proposito, questo dimostra che la simmetria tra materia e antimateria come si è detto non sembra tenere a energie molto elevate, ad esempio subito dopo il Big Bang, perché altrimenti ci dovrebbe essere tanta materia quanta antimateria nell’Universo. La ricerca futura potrebbe dirci come è sorta questa asimmetria.

Possiamo fare bombe ad antimateria?

No. Ci vorrebbero miliardi di anni per produrre antimateria sufficiente per una bomba con una distruttività simile alle ‘tipiche’ bombe all’idrogeno, di cui esistono già più di diecimila esemplari al mondo.

Nota sociologica: gli scienziati si sono resi conto che la bomba atomica era una possibilità molti anni prima che ne una venisse prodotta e brillata, ed allora il pubblico rimase completamente sorpreso e stupito. Simmetricamente, il pubblico in qualche modo anticipa la bomba all’ antimateria, ma noi sappiamo da molto tempo che è un idea che non può essere messo in pratica.

Perché l’antimateria non ha ricevuto l’attenzione dei media?

Ha ricevuto un sacco di attenzione dai media, ma di solito limitatamente alla stampa scientifica. Inoltre, l’antimateria non è ‘nuova’. Le antiparticelle vengono studiate da 80 anni. Ciò che è nuovo è la possibilità di produrre atomi di anti-idrogeno [ndr – ed ora di conservarle per centesimi di secondo], ma anche questa è essenzialmente una questione di interesse scientifico.

L’antimateria è veramente efficiente al 100%?

Dipende da cosa si intende per efficienza. Se si parte da due uguali quantità m/2 di materia e di m/2 di antimateria, allora l’energia prodotta è, ovviamente, esattamente E = mc^2. La massa è convertita in energia con un’efficienza del 100%.

Ma non è questo il punto: quanta fatica si fa a mettere per avere m/2 grammi di antimateria? Beh, in teoria E = mc^2, perché la metà dell’energia diventerà materia ordinaria. In questo modo [al 100% dell’efficienza di produzione] si guadagna nulla.

Ma il processo di creazione dell’antimateria è altamente inefficiente; quando si dissipa energia in particelle con massa, diverse particelle e antiparticelle vengono prodotte -anche di breve durata-. Una gran parte dell’energia si perde, e un sacco di particelle di antimateria stabili (positroni e antiprotoni ad esempio) sfuggono agli strumenti. Tutto accade quasi alla velocità della luce, e le particelle create schizzano in tutte le direzioni. E’ un po’ come la cottura di alimenti sopra un fuoco di campo: la maggior parte del calore è perso e non va a riscaldare i cibi, sparisce come radiazione nello scuro cielo notturno. Molto inefficiente.

Producete antimateria come descritto nel libro?

No. La produzione e lo stoccaggio di antimateria al CERN non è affatto come descritto nel libro: non si può stare accanto al Large Hadron Collider (LHC) e vederlo uscire, soprattutto perché l’acceleratore LHC non è [ndr era] ancora in funzione.

Per fare antiprotoni, facciamo scontrare protoni quasi alla velocità della luce (per la precisione, con una energia cinetica di circa 25 GeV) con un blocco di metallo come, ad esempio, rame o tungsteno. Queste collisioni producono un gran numero di particelle, alcune delle quali sono antiprotoni. Solo gli antiprotoni sono utili, e solo quelli che volano nella giusta direzione. Quindi si trova qui la perdita di energia: è come cercare di innaffiare un vaso di fiori con uno spruzzatore che spruzza su tutto il giardino. Naturalmente, cerchiamo sempre di applicare nuovi trucchi per diventare più efficienti a raccogliere antiparticelle, ma a livello di particelle elementari questo è estremamente difficile.

Perché allora è stato costruito l’LHC?

Il motivo per cui è stato costruito l’acceleratore LHC non è produrre antimateria ma creare una condizione di concentrazione di energia sufficiente a studiare i fenomeni che ci aiuteranno a comprendere alcuni degli interrogativi rimasti in fisica. Diciamo concentrazioni, perché non stiamo parlando di quantità enormi, ma di una elevata concentrazione di energia. Ogni particella accelerata nell’LHC trasporta una quantità di energia equivalente a quella di una zanzara in volo. Non molto in termini assoluti, ma è concentrato in un volume molto minuto, e la condizione generata è simile allo stato dell’universo poco tempo (circa un miliardesimo di secondo) dopo il Big Bang.

Si consiglia di confrontare l’effetto della concentrazione a ciò che si può imparare sulla qualità di un pavimento in legno camminando su di esso. Se un uomo grande che indossa scarpe normali e una donna minuta che indossa tacchi a spillo camminano sul pavimento stesso, l’uomo non farà ammaccature, ma la donna, nonostante il suo peso inferiore, può lasciare dei segni, la pressione creata dai tacchi a spillo è molto superiore. E’ questo il lavoro dell’LHC: concentrare un po’ di energia in uno spazio molto minuto per produrre una concentrazione enorme di energia e permetterci di imparare qualcosa sul Big Bang.

Il CERN è un acceleratore di particelle lungo 27 km?

L’acceleratore LHC è un anello di 27 chilometri di circonferenza. Viene installato in un tunnel circa 100 metri sotto terra. Potete trovare una mappa qui.

Insomma, perché si fa antimateria al CERN?

Il motivo principale è quello di studiare le leggi della natura. Le attuali teorie della fisica prevedono un certo numero di effetti sottili che riguardano l’antimateria. Se gli esperimenti non dovessero rispettare queste previsioni, la teoria non è coretta e deve essere modificata o rielaborata. In questo modo progredisce la scienza.

Un altro motivo è quello di ottenere densità di energia estremamente alte in collisioni di particelle di materia e antimateria, dato che si annichiliscono completamente quando si incontrano. Da questa energia di annientamento altre particelle interessanti possono essere create. Questo è come funzionava principalmente il Large Electron Positron (LEP) collider al CERN fino al 2000, o come il Tevatron al Fermilab attualmente opera vicino a Chicago.

Come viene estratta energia dall’antimateria?

Quando una particella di materia normale colpisce una particella di antimateria, si annichilano reciprocamente in una esplosione di energia molto concentrata da cui, a sua volta, si creano nuove particelle (e antiparticelle). Il numero e la massa dei prodotti di annientamento dipende dall’energia disponibile.

L’annchilazione di elettroni e positroni a basse energie produce solo due (o tre) fotoni ad alta energia. Ma con l’annichilimento ad energia molto elevate, centinaia di nuove coppie particella-antiparticella possono essere create. Il decadimento di queste particelle produce, tra gli altri, molti neutrini, che non interagiscono per niente con l’ambiente. Questo non è molto utile all’estrazione di energia.

Quanto è sicura l’antimateria?

Perfettamente sicura, date la piccole quantità che possiamo produrre. Sarebbe molto pericoloso se potessimo farne pochi grammi, ma ci metteremmo miliardi di anni.

E se così fosse, il CERN segue protocolli per mantenere la pubblica sicurezza?

Non c’è alcun pericolo nell’antimateria. Ci sono naturalmente altri pericoli sul sito del CERN, come in ogni laboratorio: alta tensione in alcune zone, fosse profonde in cui si può cadere, ecc, ma per questi pericoli si adottano comuni misure di sicurezza industriale. Non vi è alcun pericolo di fughe radioattive, come potrebbe accadere vicino a centrali nucleari.

Un grammo di antimateria contiene l’energia di una bomba nucleare di 20 kilotonnellate?

Venti kilotonnellate di TNT è l’equivalente della bomba atomica che distrusse Hiroshima. L’esplosione di una kilotonnellata (= 1000 tonnellate) di TNT corrisponde ad un rilascio di energia di 4.2 E12 joule (E12 è un 1 seguito da 12 zeri, ossia un milione di milioni). Per confronto, una lampadina da 60 watt di luce consuma 60 J al secondo.

Probabilmente vi state interrogando sul rilascio esplosivo di energia da parte del annichilimento improvviso di un grammo di antimateria con un grammo di materia. Calcoliamola.

Per calcolare l’energia rilasciata nel annientamento di 1 g di antimateria, con 1 g di materia (che fa 2 g = 0,002 kg), dobbiamo utilizzare la formula E = mc^2, dove c è la velocità della luce (300.000.000 m / s ):

E = 0,002 x (300 milioni)^2 kg m^2/s^2 = 1,8 J E14 = 180 E12 J. Una kilotonnellata di TNT corrisponde a 4.2xE12 J, quindi 2 g di annichilimento materia-antimateria corrispondono a 180/4.2 = 42,8 kt , circa il doppio dei 20 kt di TNT.

Ciò significa che c’è bisogno di ‘solo’ mezzo grammo di antimateria per avere una distruttività uguale alla bomba Hiroshima, in quanto l’altro metà grammo di (normale) materia è abbastanza facile da trovare.

Al CERN produciamo 107 antiprotoni al secondo e ci sono 6 E23 di loro in un solo grammo di antidrogeno. Si può facilmente calcolare quanto tempo ci vorrebbe per ottenere un grammo: avremmo bisogno di 6 E23/107 =  6 E16 secondi. Ci sono solo 365 (giorni) x 24 (H) x 60 (min) x 60 (sec) circa 3 E7 = secondi in un anno, quindi ci vorrebbero circa 6 E16 / 3 E7 = 2 E9 = 2.000 milioni anni! È piuttosto improbabile che qualcuno voglia attendere così a lungo.

Gli scienziati del CERN hanno davvero inventato Internet?

No. Internet è originariamente basato sul lavoro svolto da Luigi Pouzin in Francia, ripreso da Vint Cerf e Bob Kahn negli Stati Uniti nel 1970. Tuttavia, il Web è stato inventato e sviluppato interamente da Tim Berners-Lee e da un piccolo team al CERN tra il 1989 e il 1994. Potete sapere di più della storia di Internet e del Web leggendo ‘How the Web was born’. Forse non è tanto sexy quanto Angeli e demoni, ma tutto in ‘How the Web was born’ è frutto di testimonianza diretta e ricerca.

Il CERN possiede uno spazioplano X-33?

Purtroppo no.

cern materia antimateria anti idrogeno E=mc^2

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Discussione

2 pensieri su “Angeli, demoni e l’antimateria – FAQs del CERN

  1. Avevo letto un bel romanzo fantascientifico su questo argomento, nulla a che vedere con le ignorantissime elucubrazioni di Dan Brown, il titolo era Black Hole, pubblicato da Mursia, non ricordo il nome dell’autore.
    Saluti e complimenti per il buon articolo.

    Pubblicato da RiccardoBechi | 27 novembre 2010, 02:58

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  1. Pingback: Eureka « Scripta Manent - 13 dicembre 2010

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