Il 21 settembre 1955, Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand e Tom Ypsilantis trovarono la loro prima prova dell’antiprotone, raccolta attraverso misure del suo momento e della sua velocità. Lavorando in quello che era conosciuto come il “Rad Lab” di Berkeley, avevano impostato il loro esperimento in un nuovo acceleratore, il Bevatron – un sincrotrone a protoni progettato per raggiungere un’energia di 6,5 GeV, sufficiente a produrre un antiprotone in un esperimento a bersaglio fisso (CERN Courier novembre 2005 p27). Poco dopo, un esperimento correlato guidato da Gerson Goldhaber ed Edoardo Amaldi trovò le attese “stelle” di annichilazione, registrate in pile di emulsioni nucleari (figura 1). Quarant’anni dopo, combinando antiprotoni e positroni, un esperimento al Low Energy Antiproton Ring (LEAR) al CERN ha raccolto nel settembre 1995 le prove della produzione dei primi atomi di antiidrogeno.

Nel corso dei decenni, gli antiprotoni sono diventati uno strumento standard per gli studi in fisica delle particelle; la parola “antimateria” è entrata nel linguaggio comune; e l’antiidrogeno sta rapidamente diventando un laboratorio per le indagini in fisica fondamentale. Al CERN, l’Antiproton Decelerator (AD) è ora una struttura importante per gli studi di fisica fondamentale alle basse energie, che completano le indagini alla frontiera delle alte energie di LHC. Questo articolo ripercorre alcuni dei momenti salienti degli studi sull’anti-mondo al CERN, e dà un’occhiata a ciò che ci aspetta all’AD.

Al Bevatron, la scoperta dell’antineutrone attraverso l’annichilazione di particelle neutre seguì nel 1956, preparando la scena per gli studi sulla vera antimateria. Inizialmente, tutti si aspettavano una perfetta simmetria tra materia e antimateria attraverso la combinazione delle operazioni di coniugazione di carica (C), parità (P) e inversione temporale (T). Tuttavia, dopo l’osservazione della violazione CP nel 1964, non era ovvio che le forze nucleari fossero invarianti CPT e che gli antinuclei dovessero legarsi per costruire antinuclei. Questi dubbi sono stati fugati con la scoperta dell’antideutone al CERN da un team guidato da Antonino Zichichi, e a Brookhaven da un team della Columbia University, tra cui Leon Lederman e Sam Ting (CERN Courier maggio 2009 p15 e ottobre 2009 p22). Un decennio dopo, sono emerse prove per l’antielio-3 e l’antitritio nell’esperimento WA33 al Super Proton Synchrotron del CERN, dopo l’avvistamento di alcuni candidati al sincrotrone protonico da 70 GeV presso l’Istituto di Fisica delle Alte Energie vicino a Serpukhov. Più recentemente, la disponibilità di fasci di ioni pesanti in collisione ha portato all’osservazione di antielio-4 da parte dell’esperimento STAR al Relativistic Heavy-Ion Collider di Brookhaven (CERN Courier giugno 2011 p8). Al CERN, l’esperimento ALICE a LHC osserva la produzione di nuclei leggeri e antinuclei con masse comparabili e quindi energie di legame compatibili (figura 2).

Esce il barionio, entrano nuovi mesoni

Nel 1949, prima della scoperta dell’antiprotone, Enrico Fermi e Chen-Ning Yang predissero l’esistenza di stati legati nucleone-antinucleone (barionio), quando notarono che certe forze repulsive tra due nucleoni potevano diventare attraenti nel sistema nucleo-antinucleone. Più tardi, i modelli di quark basati sulla dualità predissero l’esistenza di stati composti da due quark e due antiquark, che dovrebbero essere osservati quando un protone si annichilisce con un antiprotone. Negli anni ’70, i modelli a potenziale nucleare hanno continuato a prevedere una pletora di stati legati ed eccitazioni di risonanza intorno alla massa di due nuclei. Ci sono stati effettivamente rapporti di tali stati, tra cui gli stati stretti osservati nell’annichilazione antiprotone-protone (pp) al sincrotrone a protoni (PS) del CERN e nelle misure della sezione d’urto pp in funzione dell’energia (il mesone S con una massa di 1940 MeV).

Il barionio era la motivazione principale per la costruzione al CERN del LEAR, che ha funzionato per più di un decennio dal 1982 al 1996 (vedi box). Tuttavia, nessuno degli stati del barionio è stato confermato a LEAR. Il mesone S non è stato osservato con una sensibilità 10 volte inferiore al segnale riportato in precedenza nella sezione d’urto totale pp. Anche le transizioni monoenergetiche a stati legati non sono state osservate. La morte del barionio era un argomento chiave per la Conferenza Antiprotone 86 a Salonicco. Cosa era successo? L’alta qualità dei fasci di antiprotoni da LEAR significava che tutti i pioni erano decaduti. L’alta intensità degli antiprotoni (106/s rispetto a circa 102/s nei fasci estratti al PS) e un’alta risoluzione di momento di 10-3-10-4 era cruciale alle basse energie per l’arresto degli antiprotoni con un range-straggling molto piccolo.

La spettroscopia dei mesoni prodotti nell’annichilazione pp a riposo in diversi esperimenti a LEAR si è rivelata molto più fruttuosa. Questo ha continuato una tradizione che era iniziata negli anni ’60 con l’annichilazione di antiprotoni nella camera a bolle di idrogeno da 81 cm al PS, portando alla scoperta del mesone E (E per l’Europa, ora η(1440)) e del mesone D (ora f1(1285)) in pp → (E, D → KKπ)ππ. Il primo ha portato all’annosa controversia sull’esistenza in questa regione di massa di un candidato glueball – uno stato fatto solo di gluoni – che è stato osservato nel decadimento radiativo J/ψ al collisore e+e dello SLAC, SPEAR. Con l’avvio di LEAR, gli esperimenti ASTERIX, OBELIX, Crystal Barrel e JETSET hanno preso il testimone della spettroscopia dei mesoni nell’annichilazione pp. ASTERIX scoprì un mesone tensore – l’AX, ora f2(1565) – che fu riportato anche da OBELIX; la sua struttura non è ancora chiara, anche se potrebbe essere lo stato previsto del barionio tensore.

Crystal Barrel si specializzò nella rilevazione di eventi multineutrali. Gli antiprotoni sono stati fermati in un bersaglio di idrogeno liquido e i mesoni π0 sono stati rilevati attraverso i loro decadimenti γγ in un assemblaggio a forma di barile di 1380 cristalli di CsI (Tl). La figura 3 mostra il rivelatore insieme a un grafico di Dalitz dell’annichilazione pp in π0π0π0, misurata dall’esperimento. La distribuzione non uniforme degli eventi indica la presenza di risonanze intermedie che decadono in π0π0, come i mesoni spin-0 f0(980) e f0(1500), e i mesoni spin-2 f2(1270) e f2(1565). Il f0(1500) è un buon candidato per un glueball.

Simmetrie fondamentali

Il teorema CPT postula che le leggi fisiche rimangono le stesse quando viene eseguita l’operazione combinata di CPT. L’invarianza CPT deriva dall’assunzione nelle teorie quantistiche di campo di alcuni requisiti, come l’invarianza di Lorentz e le particelle elementari puntiformi. Tuttavia, la violazione della CPT è possibile a scale di lunghezza molto piccole, e potrebbe portare a leggere differenze tra le proprietà delle particelle e delle antiparticelle, come la vita, la massa inerziale e il momento magnetico.

A LEAR, la collaborazione TRAP (PS196) ha eseguito una serie di esperimenti pionieristici per confrontare con precisione i rapporti carica/massa del protone e dell’antiprotone, usando antiprotoni immagazzinati in una trappola elettromagnetica fredda (Penning). Il segnale di un singolo antiprotone immagazzinato poteva essere osservato, e gli antiprotoni sono stati immagazzinati nella trappola fino a due mesi. Misurando la frequenza di ciclotrone degli antiprotoni orbitanti con un oscillatore e confrontandola con la frequenza di ciclotrone degli ioni H- nella stessa trappola, il team ha finalmente raggiunto un risultato a livello di 9 × 10-11. L’esperimento ha usato ioni H- invece di protoni per evitare distorsioni quando si invertono i segni dei campi elettrici e magnetici.

Sotto l’ipotesi dell’invarianza CPT, la violazione della simmetria CP osservata per la prima volta nel sistema kaon neutro nel 1964 implica che anche l’invarianza T è violata. Tuttavia, nel 1998 l’esperimento CPLEAR ha dimostrato la violazione di T nel sistema kaon neutro senza assumere la conservazione CPT (CERN Courier marzo 1999 p21). Il K0 e il K0 si trasformano l’uno nell’altro in funzione del tempo, e la violazione di T implica che, in un dato tempo t, la probabilità di trovare un K0 quando inizialmente è stato prodotto un K0 non è uguale alla probabilità di trovare un K0 quando è stato prodotto un K0. CPLEAR ha stabilito l’identità del kaon iniziale misurando il segno del kaon carico associato nell’annichilazione pp → K+K0π- o K-K0π+; quello del kaon al tempo t è stato dedotto rilevando i decadimenti K0 → π+e- ν e K0 → π-e+ν. La figura 4 mostra che una piccola asimmetria è stata effettivamente osservata, coerente con le aspettative dalla violazione CP, assumendo l’invarianza CPT.

Il teorema CPT predice anche che materia e antimateria dovrebbero avere identici spettri di eccitazione atomica. L’antiidrogeno – la forma più semplice di antimateria neutra che consiste in un positrone che orbita attorno a un antiprotone – è stato osservato per la prima volta nell’esperimento PS210 a LEAR. Il fascio interno circolante di antiprotoni da 1,9 GeV/c ha attraversato un bersaglio a getto di xeno-cluster, dando la possibilità di produrre una coppia e+e- mentre un antiprotone passava attraverso il campo di Coulomb di un nucleo di xeno. L’e+ potrebbe poi essere catturato dall’antiprotone per formare antiidrogeno elettricamente neutro con un momento di 1,9 GeV/c, che potrebbe essere rilevato più a valle attraverso la sua annichilazione in pioni e fotoni. Questo processo di produzione è piuttosto raro, ma nonostante ciò la collaborazione PS210 ha riportato l’evidenza di nove atomi di antiidrogeno, dopo circa due mesi di presa dati nell’agosto-settembre 1995, e solo pochi mesi prima che LEAR fosse spento. L’osservazione dell’antiidrogeno è stata confermata due anni dopo all’Antiproton Accumulator del Fermilab, anche se con una sezione trasversale di produzione molto più piccola.

All’AD

Un nuovo capitolo nella storia dell’antiidrogeno al CERN si è aperto nel 2000 con l’avvio dell’AD, che decelera gli antiprotoni a 100 MeV/c, prima di estrarli per esperimenti di antimateria e fisica atomica (CERN Courier novembre 1999 p17). L’esperimento PS210 aveva cercato di produrre antiidrogeno in volo, ma per studiare, per esempio, la spettroscopia dell’antiidrogeno, è molto più conveniente immagazzinare atomi di antiidrogeno in trappole elettromagnetiche, proprio come aveva fatto TRAP nei suoi esperimenti di antiprotone. Questo richiede che l’antiidrogeno sia prodotto a energie molto basse, cosa che l’AD aiuta a raggiungere.

Nel 2002, gli esperimenti ATHENA e ATRAP all’AD hanno dimostrato la produzione di un gran numero di atomi di antiidrogeno lenti (CERN Courier Novembre 2002 p5 e Dicembre 2002 p5). ATHENA ha usato delle lamine assorbenti per ridurre l’energia degli antiprotoni dall’AD a pochi kilo-elettronvolt. Una piccola frazione del fascio di antiprotoni è stata poi catturata in una trappola Penning, mentre i positroni da una sorgente radioattiva di sodio sono stati immagazzinati in una seconda trappola. Le nuvole di antiprotoni e positroni sono state poi trasferite in una terza trappola e fatte sovrapporre per produrre antiidrogeno elettricamente neutro, che è migrato verso le pareti del criostato e si è annichilito. Il rivelatore di antiidrogeno conteneva due strati di microstrisce di silicio per tracciare i pioni carichi dall’annichilazione dell’antiprotone; un array di 192 cristalli di CsI rilevava e misurava le energie dei fotoni dall’annichilazione del positrone (figura 5). Circa un milione di atomi di antiidrogeno sono stati prodotti nel corso dell’esperimento, corrispondente a un tasso medio di 10 antiatomi al secondo.

L’antiidrogeno ha un momento di dipolo magnetico (quello del positrone), il che significa che può essere catturato in un campo magnetico disomogeneo. Il primo tentativo in tal senso è stato fatto all’AD dall’esperimento ALPHA, che ha catturato con successo 38 atomi di antiidrogeno in un campo magnetico ottupolare (CERN Courier marzo 2011 p13). Il tempo iniziale di conservazione dell’antiidrogeno di 172 ms è stato aumentato successivamente a circa 15 minuti, aprendo così la strada agli esperimenti di spettroscopia atomica. Un test sensibile della CPT è quello di indurre transizioni da stati di spin singoletto a tripletto (hyperfine splitting, o HfS) nell’atomo di antiidrogeno, e di confrontare l’energia di transizione con quella dell’idrogeno, che è conosciuta con molta precisione. ALPHA ha fatto i primi tentativi riusciti di misurare l’HfS con la radiazione a microonde, riuscendo a capovolgere lo spin del positrone e ad espellere 23 atomi di antiidrogeno dalla trappola (CERN Courier April 2012 p7).

Un approccio alternativo è quello di eseguire un esperimento di tipo Stern-Gerlach con un fascio di antiidrogeno. L’esperimento ASACUSA ha utilizzato una bobina anti-Helmholtz (trappola a cuspide) per esercitare forze sugli atomi di antiidrogeno e selezionare quelli in un determinato stato di spin del positrone. La polarizzazione può poi essere capovolta con microonde della frequenza appropriata. In un primo test riuscito, 80 atomi di antiidrogeno sono stati rilevati a valle della regione di produzione (CERN Courier marzo 2014 p5).

Anche la collaborazione ASACUSA ha testato il CPT, usando antiprotoni fermati in elio. L’antiprotone è stato catturato espellendo uno dei due elettroni orbitanti, l’atomo di elio antiprotone che ne risulta è stato lasciato in uno stato atomico di alto livello e di lunga durata, adatto all’eccitazione laser. Usando due fasci laser contro-propaganti (per ridurre l’allargamento Doppler causato dal movimento termico), il gruppo è stato in grado di determinare il rapporto massa antiprotone-elettrone con una precisione di 1,3 ppb (CERN Courier September 2011 p7). Un precedente confronto del rapporto carica-massa tra il protone e l’antiprotone era stato eseguito con una precisione di 0,09 ppb dalla collaborazione TRAP al LEAR, come descritto sopra. Quando i risultati di ASACUSA e TRAP sono combinati, le masse e le cariche del protone e dell’antiprotone sono determinate essere uguali a un livello inferiore a 0,7 ppb.

CPT richiede anche che il momento magnetico di una particella sia uguale a (meno) quello della sua antiparticella. L’esperimento BASE attualmente in corso all’AD determinerà il momento magnetico dell’antiprotone a 1 ppb misurando la frequenza di oscillazione assiale dipendente dallo spin in una trappola di Penning sottoposta a un forte gradiente di campo magnetico. L’approccio sperimentale è simile a quello utilizzato per misurare il momento magnetico del protone con una precisione di 3 ppb (CERN Courier luglio/agosto 2014 p8). La collaborazione ha già confrontato i rapporti carica-massa dell’antiprotone e del protone, con una precisione frazionata di 6,9 × 10-11 (p7).

Il principio di equivalenza debole (WEP), che afferma che tutti gli oggetti sono accelerati esattamente allo stesso modo nei campi gravitazionali, non è mai stato testato con l’antimateria. I tentativi di usare positroni o antiprotoni sono finora falliti, come risultato di campi elettrici o magnetici dispersi. Al contrario, l’atomo di antiidrogeno elettricamente neutro è una sonda ideale per testare il WEP. La collaborazione AEgIS all’AD prevede di misurare il cedimento di un fascio di antiidrogeno su una distanza di 1 m con un deflettometro a due griglie. Lo spostamento del modello moiré indotto dalla gravità sarà misurato con alta risoluzione (circa 1 μm) usando emulsioni nucleari (figura 6) – la stessa tecnica di rilevazione che fu usata per dimostrare l’annichilazione dell’antiprotone al Bevatron, nel lontano 1956.

Il futuro è ELENA

I futuri esperimenti con l’antimateria al CERN beneficeranno del progetto Extra Low ENergy Antiproton (ELENA), che sarà operativo alla fine del 2017. L’efficienza di cattura degli antiprotoni negli esperimenti all’AD è attualmente molto bassa (meno dello 0,1%), perché la maggior parte di essi si perde quando si degrada il fascio di 5 MeV dall’AD ai pochi kilo-elettronvolt richiesti dalla tensione di confinamento delle trappole elettromagnetiche. Per superare questo, ELENA – un anello di immagazzinamento raffreddato a elettroni di 30 m di circonferenza che sarà situato nella sala AD – decelererà gli antiprotoni fino a, tipicamente, 100 keV. L’estrazione veloce (al contrario dell’estrazione lenta che era disponibile a LEAR) è prevista per alimentare gli esperimenti di trappola.

Un esperimento che trarrà vantaggio da questa nuova struttura è GBAR, che mira anche a misurare l’accelerazione gravitazionale dell’antiidrogeno. I positroni saranno prodotti da un linac per elettroni da 4,3 MeV e usati per creare ioni antiidrogeno positivi (cioè un antiprotone con due positroni) che possono essere trasferiti in una trappola elettromagnetica e raffreddati a 10 mK. Dopo il trasferimento in un’altra trappola, dove uno dei positroni viene staccato, l’antiidrogeno sarà lanciato verticalmente con una velocità media di circa 1 m/s (CERN Courier marzo 2014 p31).

Va ricordato che la scoperta dell’antiprotone a Berkeley si basava su circa 60 antiprotoni osservati durante un’esecuzione di sette ore. Il fascio da 1,2 GeV/c conteneva 5 × 104 più pioni che antiprotoni. Oggi, l’AD fornisce fasci puri di circa 3 × 107 antiprotoni ogni 100 s a 100 MeV/c, il che rende il laboratorio del CERN unico al mondo per gli studi sull’antimateria. Nel corso dei decenni, i fasci di antiprotoni hanno portato alla scoperta di nuovi mesoni e hanno permesso prove precise delle simmetrie tra materia e antimateria. Ora si stanno confrontando le proprietà dell’idrogeno e dell’antiidrogeno, e con ELENA verranno eseguiti test accurati. Le probabilità di vedere qualsiasi violazione della simmetria esatta sono scarse, essendo il teorema CPT una legge fondamentale della fisica. Tuttavia, l’esperienza mostra che – come con la sorprendente scoperta della non-conservazione della parità nel 1957 e la violazione CP nel 1964 – gli esperimenti avranno, alla fine, l’ultima parola.