Nel 1955 a Berkeley, in California, entrò in funzione il più grande acceleratore mai costruito. Il Bevatron raggiungeva i 6 miliardi di elettron Volt di energia, sufficienti per generare antiprotoni. Tra i fisici che sperimentavano al Bevatron c’era Emilio Segrè, il primo studente a laurearsi con Fermi all’Università di Roma. Segrè e il collega Chamberlain progettarono strumenti in grado di rivelare il passaggio di antiprotoni. Nell’ottobre del 1955 i protoni del Bevatron bombardarono un bersaglio di rame, circondato dai rivelatori di Segrè e Chamberlain. Furono contate 60 particelle di massa uguale a quella del protone, ma con carica negativa: gli antiprotoni. Fu allora chiaro che l’antimateria, emersa nel 1927 dall’equazione di Dirac, non era costituita solo dagli antielettroni (oggi chiamati positroni), ma anche da molte altre antiparticelle. Si era aperto un nuovo mondo.

Infatti l’anno successivo, sempre al Bevatron, fu scoperto, attraverso la reazione di scambio carica dell’antiprotone, l’antineutrone. Anche questa scoperta vide il contributo di un fisico italiano di rango, già collaboratore di Segrè durante la scoperta dell’antiprotone. Parliamo del toscano Oreste Piccioni, coautore dell’esperimento con Bruce Cork, Glenn Lamberson e William Wenzel.

Dato che i nuclei di materia sono fatti di protoni e neutroni, la scoperta delle antiparticelle corrispondenti apriva la strada alla possibilità di formare antinuclei complessi. Per dimostrarne l’esistenza sarebbe bastato ottenere uno stato di antiprotone e antineutrone legati, ovvero l’antideutone. Fu un gruppo guidato da Antonino Zichichi che lo scoprì nel 1965 al Cern, condividendo il risultato con un esperimento condotto negli Usa da Leon Lederman.

Dopo la formazione di un nucleo di antimateria, mancava quella dell’antiatomo. La materia, infatti, è formata da atomi, cioè da nuclei intorno ai quali orbitano elettroni. Creare degli antiatomi significa quindi produrre della vera e propria antimateria, per poterne studiare a fondo le proprietà.

I primi tentativi in questa direzione si sono rivolti verso l’anti-idrogeno, il più semplice antiatomo, il cui nucleo è costituito da un unico antiprotone, con un solo positrone orbitante.
I primi, pochissimi, atomi di anti-idrogeno furono creati al Cern, da un esperimento in cui erano presenti anche ricercatori italiani, e al Fermilab tra il 1995 e il 1996: essi però non erano sufficienti per studiare le proprietà dell’antimateria. Erano solo poche decine e, per giunta, risultò impossibile catturarli e manipolarli.

Nacque così nel 1997 l’esperimento Athena (Apparatus for high precision experiment on neutral antimatter), frutto della collaborazione di un gruppo di circa 40 fisici, tra cui la maggior parte italiani, che si propose di produrre grandi quantità di atomi di anti-idrogeno, utilizzando il fascio di antiprotoni dell’Antiproton decelerator (Ad) del Cern di Ginevra. Il successo di Athena arrivò nell’agosto del 2002 quando riuscì a produrre 50mila atomi di anti-idrogeno. Tra il 2002 e il 2004 ne fabbricò più di 2 milioni, trovando le condizioni ottimali per il processo di formazione, e mostrando così la fattibilità di nuovi esperimenti per lo studio delle simmetrie fondamentali della natura (verificando ad esempio se i livelli energetici dell’atomo di idrogeno sono identici a quelli dell’atomo di anti-idrogeno).

Mentre attualmente all’acceleratore Ad si stanno studiando gli antiatomi, restano da risolvere due importanti misteri che riguardano l’antimateria: 1) dato che durante il Big Bang si sono formate uguali quantità di materia e antimateria, come mai il nostro universo oggi sembra fatto solo di materia?; 2) secondo la legge di gravitazione universale tutte le masse di materia si attraggono, ma qual è l’interazione gravitazionale tra materia e antimateria?

Per rispondere al primo quesito sono al lavoro molti fisici che stanno analizzando i dati provenienti dai satelliti. Tra i due esperimenti più importanti, Pamela e Ams, la presenza dei fisici italiani, attraverso l’Istituto nazionale di fisica nucleare, l’Istituto nazionale di astrofisica e l’Agenzia spaziale italiana, è massiccia. Pamela (Payload for antimatter exploration and light-nuclei astrophysics) è un satellite lanciato nel 2006 dalla base russa di Bajkonour, Ams (Alpha magneti spectrometer) è un laboratorio in orbita sulla Stazione spaziale internazionale dal 2011, capace di identificare antiparticelle e antinuclei con una precisione di una parte per miliardo. L’Italia è il primo contributore, con circa il 25% del totale; il nostro paese è responsabile della realizzazione dei principali strumenti di bordo.

Questi satelliti hanno finora rilevato la presenza nella radiazione cosmica di antiparticelle che sono il risultato secondario della produzione di antimateria da reazioni di materia ad alta energia. Ma se solo venisse trovato un nucleo complesso di antimateria, per esempio un antiferro, allora si aprirebbero nuovi scenari, sarebbe la prova della esistenza di stelle o pianeti di antimateria.

Il secondo mistero riguarda la gravitazione. Einstein, partendo dal fatto che tutti gli oggetti si attraggono e subiscono la stessa accelerazione, notò che la massa scompariva dalle equazioni delle traiettorie, permettendo così la descrizione della forza gravitazionale in termini di pura geometria, cioè di curvatura dello spazio-tempo. Un’idea geniale, che ha ricevuto infinite conferme, a cominciare dalle correzioni di Einstein presenti in ogni navigatore satellitare come quelli dei nostri telefonini. Nella meravigliosa costruzione di Einstein manca però l’antimateria, che fu scoperta circa un decennio dopo la formulazione della relatività generale. Una deviazione dalla pura descrizione geometrica della gravitazione, dovuta all’antimateria, cambierebbe la nostra visione del mondo. Sulla misura della gravità degli antiatomi sono al lavoro al Cern molti gruppi di ricerca tra cui spicca la presenza degli italiani.

L’avventura continua, con gli italiani in prima fila.