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L'antimateria all'Università di Bologna

Il Dipartimento di Fisica dell'Università di Bologna è situato in due edifici, quello "storico" di via Irnerio (vedi foto accanto) e nella nuova sede di Berti-Pichat.


Fig. 1 : Prima sede del Dipartimento di Fisica di Bologna
(Credit: Università di Bologna)

Da quasi quarant'anni ricercatori del Dipartimento di Fisica e della Sezione INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) di Bologna studiano sperimentalmente le caratteristiche ed il comportamento dell'antimateria.

  • 1965 : 
    • Dieci anni dopo la scoperta dell'antiprotone, avvenuta nel 1955, un gruppo di ricercatori guidati dal Prof. Antonino Zichichi, utilizzando l'acceleratoreDizionario PS (Proto Sincrotrone) del CERN di Ginevra, osservò per la prima volta un nucleo di antimateria più complesso: quello dell'antideuterio, costituito da un antiprotone e un antineutrone così come quello del deuterio è costituito da un protone e un neutrone. Questa osservazione fu contemporanea a quella effettuata da un gruppo di fisici americani all'acceleratore AGS (Alternating Gradient Synchroton) del Laboratorio Nazionale di Brookhaven a New York.

  • 1978 :
    • Tredici anni più tardi un gruppo di ricercatori bolognesi guidati dal Prof. Giorgio Giacomelli in collaborazione con un gruppo di ricercatori francesi rivelò antinuclei più complessi. Con protoni di 200 GeVDizionario ottenuti all'acceleratore SPS (Super Proton Synchroton) del CERN, furono prodotti antinuclei di antitrizio e di antielio 3, formati rispettivamente da un antiprotone e due antineutroni e da due antiprotoni e un antineutrone. Risultati simili furono ottenuti da gruppi russi all'acceleratore di Serpukhov in Russia. 

Alla fine degli anni '60 il fisico Bruno Touschek  propose di fare collidere frontalmente elettroni e positroni per studiare sperimentalmente uno dei fenomeni più interessanti, quello dell'annichilazione. Presso i Laboratori Nazionali  di Frascati (LNF) dell'INFN, nel 1961, venne costruito il primo "anello di accumulazione" collisionatoreDizionario per elettroni (e¯) e positroni (e+), AdA, subito seguito dalla realizzazione di un progetto molto più grande, ADONE.

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Fig. 2 : Il rivelatore BCF ad ADONE.
(Credit: INFN)
  • 1969-1974:
    • Fra i primi sperimentatori ad utilizzare Adone, c'era anche un gruppo di fisici di Bologna guidati dal Prof. Zichichi (esperimento BCF).

I vantaggi presentati dagli anelli di accumulazione e+e¯ erano tali che tutta una serie di nuovi acceleratori di questo tipo, sempre più potenti, furono costruite negli USA, nell'URSS, e in Europa.
L'ultimo collisionatore e+e¯ ad essere costruito è stato il LEP (Large Electron Positron collider) al CERN. Con i suoi 27 km di circonferenza, il LEP  (che ha funzionato dal 1989 al 2000) è stato il più grande acceleratore finora realizzato.

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 Fig. 3 : Rappresentazione grafica della produzione di particelle in una annichilazione elettrone-positrone ad elevata energia. 
(Credit: CERN photo-di/9105064)
  • 1989 - 2000:
    •    Quattro collaborazioni internazionali, composte da centinaia di ricercatori ognuna, hanno realizzato altrettanti grandi apparati sperimentali. Tre gruppi di fisici dell'Università e dell'INFN di Bologna hanno partecipato alla costruzione dei tre rivelatori DELPHI, L3 e OPAL, e condotto moltissime ricerche.
    I risultati ottenuti dagli esperimenti al LEP hanno permesso una verifica delle previsioni del Modello Standard del microcosmo, con una precisione mai raggiunta prima ed hanno stabilito l'esistenza di tre soli tipi di neutrini leggeri .

Parrallelamente allo sviluppo di anelli di accumulazione per e¯ ed e+  si è anche assistito allo sviluppo di collisionatori con protoni e antiprotoni.

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 Fig. 4: L'acceleratore ISR del CERN. 
(Credit: CERN Courier (aprile 2002))
  • 1981 - 1983:
    •    Agli Anelli di Accumulazione Intersecantesi (ISR) del CERN vennero per la prima volta iniettati fasci di antiprotoni. Un gruppo di ricercatori di Bologna effettuò in quegli anni, con il rivelatore SFM, una serie di misure per stabilire alcune caratteristiche fondamentali delle collisioni fra protoni ed antiprotoni confrontandole con quelle osservate nelle collisioni protone-protone.

La possibilità di produrre urti frontali ad energia elevatissima con collisionatori protone-antiprotone fu dimostrata al CERN nei primi anni '80 dove il Super Proto Sincrotrone SPS fu trasformato in un collisionatore protone-antiprotone rendendo possibile la materializzazione delle particelle mediatrici dell'interazione debole, W+, W¯, Z0. La loro scoperta valse il premio Nobel a Carlo Rubbia e a Simon Van der Meer.

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 Fig. 5: Rappresentazione grafica della produzione del quark top e del suo antiquark in una collisione protone-antiprotone ad elevata energia. 
(Credit: Fermilab)
  • 1988 - 2002:
    •    Il collisionatore protone-antiprotone più potente al mondo è in funzione presso il laboratorio Fermi di Chicago.
    Un gruppo di ricercatori bolognesi ha misurato la sezione d'urto (la probabilità) delle collisioni protone-antiprotone determinando che essa aumenta all'aumentare dell'energia nel centro di massa.
    Un altro gruppo di ricercatori di Bologna fa attualmente parte della grande collaborazione internazionale CDF. È con l'omonimo rivelatore  che, nel 1995, venne scoperto un sesto tipo di quark, il quark top, la particella elementare più massiva finora osservata (mt ~ 175 GeV).

Studi delle interazioni materia-antimateria sono stati condotti anche a basse energie.

  • 1990 - 1996: 
    •  Un gruppo di fisici dell'Università di Bologna ha contribuito alla realizzazione dell'esperimento OBELIX  al LEARDizionario (Low-Energy Antiproton Ring) del CERN. Il rivelatore era in grado di rivelare tutte le particelle elettricamente cariche e neutre derivanti dalle annichilazioni di antinucleoni con energie minori di 400 MeV su nucleoni e nuclei fermi.


Fig. 6: LEAR. Vista dell'area sperimentale.
(Credit: CERN Bulletin 47/98 - 16 November 1998)


 
  • Il futuro : 
    •  Nel 2004 l'esperimento AMS sarà installato nella Stazione Spaziale Internazionale (ISS), per una missione della durata di tre anni. Come test, una versione preliminare del rivelatore, AMS-01, è stato installato sullo Space Shuttle durante il 1998. L'obbiettivo principale dell'esperimento è quello di cercare nuclei di antielio e perfino di anticarbonio che potrebbero indicare l'esistenza nell'Universo di una zona popolata di antistelle. L'esperimento è condotto da una vasta collaborazione internazionale cui partecipa un gruppo di Bologna. Al momento la collaborazione è impegnata nella costruzione dell'apparato sperimentale.     
 


Fig 7: La Stazione Spaziale Internazionale; è indicata la posizione dove sarà installato AMS. 
(Credit: AMS experiment)