Cos’è l’antimateria, perché la si studia. È una fonte di energia possibile e migliore del nucleare?

Cern di Ginevra
Al Cern di Ginevra sono riusciti a intrappolare l’antimateria per oltre 16 minuti [@01]

L’antimateria non è un concetto complicato da capire. La materia ordinaria che siamo abituati a vedere ovunque giriamo la testa, come sappiamo, è composta da particelle invisibili a occhio nudo: elettroni, protoni, neutroni, ecc. Sono i fondamenti della vita e degli oggetti inanimati. Ognuna di queste particelle ha una carica che può essere positiva (come il protone) o negativa (come l’elettrone).

Ora immaginatevi un universo dove esistono particelle opposte a queste. Si trova, per esempio, una forma di elettrone che ha carica positiva invece di negativa. Questo tipo di particelle non è esclusivo della fantascienza, anzi l’esistenza delle anti-particelle è stata dimostrata in laboratorio, dove sono riusciti addirittura a ricrearle da zero.

L’antimateria è quindi l’insieme delle anti-particelle. Per distinguere questi elementi da quelli ordinari, è stato loro assegnato un nuovo nome. I positroni sono gli antielettroni, gli antiprotoni e gli antineutroni, come dicono i nomi, si oppongono ai protoni e ai neutroni (hanno carica elettrica opposta alla loro).

L’importanza dell’antimateria

Quando materia e antimateria si incontrano, le loro particelle si annichiliscono, cioè si distruggono a vicenda liberando energia (raggi gamma). Oppure finiscono per creare nuove particelle, la cui somma di energia sarà uguale a quella di partenza; ma in questa sede ci interessa più che altro il primo caso.

La teoria più affermata parte dalle origini del nostro universo e spiega che, quando il Big Bang si è espanso, la materia era affiancata dall’antimateria. Subito dopo hanno cominciato ad annullarsi tra loro. Poiché l’universo che conosciamo al giorno d’oggi è fatto di materia, è chiaro che la quantità di materia doveva essere superiore a quella di antimateria; un’altra teoria prevede che una parte di antimateria non abbia mai interagito con la materia e che in questo momento si trovi “nascosta” in qualche zona dell’Universo non ben definita.

Enormi quantità di energia

Da piccole quantità di materia e antimateria fatte scontrare, si riesce a produrre una discreta quantità di energia, di sicuro di molto superiore a quella prodotta tramite le reazioni nucleari. Facendo una stima, avremo circa settanta volte l’energia ottenuta dalla fusione nucleare dell’idrogeno e addirittura quattro miliardi di volte quella prodotta usando il petrolio.

Quando materia e antimateria si annichiliscono, l’energia ricavata è quasi del 100%, senza le grandi perdite che si otterrebbero con le altre fonti di energia. Il “quasi” è d’obbligo, perché in realtà c’è comunque una piccola perdita data dalla formazione dei neutrini, che non possono essere raccolti e quindi usati come energia. Tanto per capirci, se puntassimo un raggio di neutrini nel piombo, questi lo attraverserebbero e continuerebbero a viaggiare per un altro anno luce senza fermarsi; quindi i neutrini sono “energia irrecuperabile”.

In ogni caso è evidente che sia una fonte di energia ben al di sopra dei nostri standard: un’arma nucleare, per esempio, ha un’efficienza di appena l’1%, tutto il resto viene sprecato. Come potete intuire, se trovassimo un sistema economico per l’utilizzo dell’antimateria come combustibile avremmo risolto gran parte degli attuali problemi energetici.

La difficoltà nello sfruttare l’antimateria

Foto del primo positrone osservato nel 1932
Foto del primo positrone osservato nel 1932 [@02]

Ma i vantaggi non finiscono qui. Visto che ci basta poca antimateria per creare una grande energia, un mezzo avrebbe a disposizione un’enorme quantità di combustibile stipata in poco spazio. Pensate, per esempio, se fosse stipata in una navicella spaziale: tra i problemi moderni, c’è la necessità di garantire una quantità di combustibile adatto per un viaggio di andata e di ritorno e con l’antimateria potremmo compiere viaggi ben più lunghi degli attuali.

Il suo limite sta però nella complessità di utilizzo. Servono acceleratori di particelle molto costosi (nel 2011 si calcolavano circa 25 miliardi di dollari per produrre un grammo) e, soprattutto, hanno ancora bisogno di una quantità di energia di immissione superiore a quella che verrà prodotta. È come dire «impiego uno sforzo di 10 per produrre 5, mentre dovrebbe essere il contrario».

Un altro problema da affrontare è come immagazzinare l’antimateria, perché non appena entra in contatto con la materia, entrambi annichiliscono.

Sembra esserci però una speranza. Il 4 giugno 2011, il CERN di Ginevra ha potenziato il suo esperimento Alpha, che già a novembre aveva intrappolato atomi di anti-idrogeno per 172 millisecondi. Nell’arco di pochi mesi, il progetto ha dato ottimi frutti: trecento atomi di anti-idrogeno sono stati intrappolati per oltre 16 minuti.

Come hanno potuto tenere alla larga l’anti-idrogeno con la materia? Il risultato lo dobbiamo a campi magnetici che hanno creato una sorta di gabbia ermetica. Se infatti fossero liberi di muoversi, avremmo un continuo annichilimento. In pratica è stato creato una sorta di tunnel magnetico, in cui l’anti-idrogeno veniva spinto per incontrare l’idrogeno, in modo da studiare gli effetti di quello che veniva prima e dopo lo scontro.

Un grosso passo avanti, ma ancora insufficiente. Altri esperimenti sono portati avanti dal Cern per riuscire effettivamente a manipolare l’antimateria in modo economico e pratico. A temperature estremamente basse e con la dovuta tecnologia è probabile che si riuscirà a congelare le anti-particellare per diverse ore.

Fonti principali
Il futuro dell'umanità, di Michio Kaku
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