Simmetria particella - antiparticella

La teoria quantistica dei campi implica una fondamentale simmetria, nel sistema della particelle elementari, fra le particelle e le loro "antiparticelle". Per ogni particella esiste una corrispondente antiparticella, la quale si comporta come l’immagine speculare della prima e si muove a ritroso nello spazio e nel tempo. L’antiparticella dell’antiparticella è la particella stessa. Se due particelle sono una l’antiparticella dell’altra, hanno cariche elettriche opposte (ossia cariche di uguale grandezza ma con segno opposto) e identica massa. Per esempio, il protone ha carica elettrica positiva, e l'antiprotone ha carica elettrica negativa; ma hanno la stessa identica massa, perciò sono soggetti alla gravità nella stessa identica maniera.
Alcune particelle elettricamente neutre, come il fotone, sono le antiparticelle di se stesse.
L’esistenza delle antiparticelle venne postulata da P.A.Dirac.
Nel 1932, Anderson, studiando i raggi cosmici, osservò una particella con la stessa massa dell’elettrone, ma con carica opposta: questa particella era il positrone o anti-elettrone, cioè l’antiparticella dell’elettrone (con carica elettrica positiva). Questa fu la prima evidenza sperimentale dell’esistenza delle antiparticelle. Grazie a questa scoperta Anderson fu insignito, tre anni più tardi, del premio Nobel per la fisica. In seguito sono stati osservati anche l’anti-protone, l’anti-neutrone, nonché le antiparticelle di molti altri adroni e di tutti i leptoni. La presenza degli anti-barioni così come quella dei mesoni assicura la esistenza degli anti-quarks.

E’ possibile pensare ad un mondo di antimateria, cioè composto di anti-atomi con anti-elettroni che ruotano attorno a nuclei di anti-protoni ed anti-neutroni come per la materia ordinaria. Sembra che l'antimateria non esista nell'universo di oggi, ma che sia esistita al momento del Big Bang, quando nacque l'universo e quando la quantità di materia e antimateria dovevano essere esattamente uguali. Se materia ed antimateria si scontrassero urtandosi tra loro, l’anti-atomo si annienterebbe, producendo una grande quantità di energia emessa sotto forma di fotone.
Infatti quando una particella e la sua antiparticella si incontrano, si annichilano in energia pura. Questa energia può dar vita a particelle, prive di carica, mediatrici di forza, come fotoni, bosoni Z, o gluoni.

Nel linguaggio usuale il simbolo dell’antiparticella è quello della particella con una barra sopra, così abbiamo:

Per il positrone si può anche scrivere:

L'antimateria negli esperimenti

I fisici delle particelle usano fasci collidenti di e , o di e^- ed e⁺.
Così possono studiare le numerose particelle che nascono dal decadimento di una particella mediatrice di forza (o bosone).
Un esempio di questo processo è l'annichilazione elettrone/positrone che dà vita a particelle D±.

Si può osservare la prova dell'esistenza dell'antimateria (un'annichilazione elettrone/positrone) in una vecchia camera a bolle. La camera a bolle è un rivelatore visualizzante, contenente un liquido nel quale le particelle cariche lasciano una traccia, sotto forma di una sequenza di minutissime bollicine.

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