L’Antimateria

L’antimateria può essere comperata “online”, forse anche direttamente su ebay ! Non aspettatevi però di ricevere una lattina di antimateria come quella raffigurata nella fotografia sopra. Quello che riceverete è invece una capsula contenente una quantità infinitesimale dell’isotopo Sodio 22. Questo isotopo radioattivo decade emettendo un positrone (l’antiparticella dell’elettrone !) più una certa quantità di radiazione gamma. La quantità di Sodio 22 contenuta nella capsula di plastica è veramente piccola, però questo isotopo ha una attività intrinseca piuttosto elevata, questo fa sì che la capsula abbia una attività di circa 1µCi che corrisponde a 37KBq e cioè 37000 disintegrazioni al secondo ! La nostra capsula di antimateria produce così la bellezza di circa 37000 anti-elettroni al secondo.
Non fatevi spaventare da questi numeri, queste sorgenti radioattive possono essere acquistate e tenute in casa senza nessuna licenza particolare perchè hanno un valore comunque molto basso e quindi non costituiscono un pericolo per la salute, vanno comunque maneggiate con cautela. Tenete presente che anche il nostro corpo è debolmente radioattivo, pricipalmente a causa del contenuto degli isotopi Potassio 40 e Carbonio 14. Si stima che la radioattività intrinseca del corpo umano sia di circa 9KBq, un valore non trascurabile !

Nella immagine sotto mostriamo la nostra sorgente di antimateria :

L’isotopo Na-22 decade (nel 99.95% dei casi) con emivita di 2,6 anni, per emissione di positroni o cattura elettronica verso il primo stato eccitato del ²²Ne a 1.274 MeV (il quale successivamente si rilassa per emissione di fotone gamma). Il positrone viene emesso con energia massima di 544KeV.

Nella immagine sotto si vede lo schema di decadimento del Sodio 22 nel quale viene evidenziata l’energia massima con cui viene emesso il positrone che corrisponde a circa 544KeV.

Naturalmente il decadimento beta prevede anche l’emissione di un neutrino che cattura parte dell’energia, per questo motivo l’energia del positrone emesso va da un minimo ad un massimo di 544KeV ed è distribuita su di uno spettro continuo di valori. Con il nostro Spettrometro Alfa DIY abbiamo ottenuto lo spettro mostrato nella immagine sotto, nel quale si vede la distribuzione della energia su valori inferiori ai 500KeV.

I positroni non hanno però vita facile ! Dopo che sono stati rallentati dal materiale che stanno attraversando si ricombinano con un elettrone e spariscono trasformandosi in pura energia : si tratta del fenomeno della annichilazione tra materia ed anti-materia.

Il processo di annichilazione elettrone-positrone è una reazione che avviene quando un elettrone incontra un positrone (l’antiparticella dell’elettrone, ovvero una particella di antimateria): il susseguente processo di collisione innesca la produzione di 2 fotoni di annichilazione e, più raramente, di 3 fotoni o di altre particelle.

Questo processo deve seguire alcune leggi di conservazione, tra le quali:

• La conservazione della carica elettrica: la carica totale finale e iniziale è uguale a zero.
• La conservazione della quantità di moto e dell’energia totale: ciò proibisce la creazione di un singolo fotone di annichilazione.
• La conservazione del momento angolare.

A basse energie i risultati dell’annichilazione non hanno un’ampia varietà di casi; il più comune prevede la creazione di due o più fotoni di annichilazione; la conservazione dell’energia e della quantità di moto proibisce la creazione di un solo fotone. Nel caso più comune, vengono creati due fotoni aventi ciascuno un’energia pari all’energia a riposo dell’elettrone o del positrone (511 keV). Siccome il sistema possiede inizialmente una quantità di moto totale pari a zero, i raggi gamma vengono emessi in direzioni opposte.

Se l’elettrone e/o il positrone hanno elevata energia cinetica, possono essere prodotte diverse particelle massive (per esempio mesoni), purché l’energia delle due particelle sia sufficiente per trasformarsi nella corrispondente energia a riposo delle particelle prodotte. Uno degli obiettivi dell’International Linear Collider è la produzione del bosone di Higgs a partire proprio dalla annichilazione elettrone-positrone.

Con il nostro Spettrometro Gamma DIY possiamo verificare sperimentalmente il processo di annichilazione elettrone-positrone !

Nel grafico mostrato sotto, ottenuto con una sonda gamma a scintillazione e con l’applicazione Theremino MCA, risultano evidenti i picchi gamma a 1274KeV, proveniente dal decadimento dell’isotopo Na22, e soprattutto a 511KeV, proveniente dalla reazione di annichilazione elettrone-positrone.

Con lo Spettrometro Gamma abbiamo verificato sperimentalmente che nella annichilazione viene conservata l’energia. E’ possibile anche verificare sperimentalmente che viene conservata la quantità di moto : infatti dato che il sistema è inizialmente in quiete i due fotoni gamma a 0.511 MeV vengono emessi a 180 gradi l’uno dall’altro, in modo che la quantità di moto totale rimane nulla. Questo fatto può essere verificato con misure di correlazione angolare e coincidenza.

Lo schema di principio dell’esperimento è il seguente :

Nella immagine sotto viene mostrato il setup :

I due rilevatori vengono fatti funzionare in coincidenza in modo da rilevare soltanto le coppie di fotoni generate da una stessa annichilazione. Sono state effettuate due misurazioni, la prima con i detector allineati (immagine a sinistra) e la seconda con i detector angolati fra loro ma entrambi allineati alla sorgente.

Detector Allineati

Durata misura = 3100 s
Rateo Coincidenze = 59,2 ± 1 CPM
Rateo Detector 1 = 102,0 CPS
Rateo Detector 2 = 109.8 CPS

Detector Angolati

Durata misura = 3700 s
Rateo Coincidenze = 0,257 ± 0,064 CPM
Rateo Detector 1 = 93,6 CPS
Rateo Detector 2 = 109.7 CPS

Nella misura con i detector angolati, il detector 1 risulta più lontano dalla sorgente rispetto al detector 2, ed infatti il valore misurato dal detector 1 è leggermente inferiore.
E’ evidente come il rateo di conteggio delle coincidenze vada praticamente a zero appena i due detector vengono posizionati fuori asse a dimostrazione del fatto che i fotoni gamma emessi dalla annichilazione del positrone, a causa della conservazione della quantità di moto, sono spazialmente sfasati esattamente di 180°.

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