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Dal CERN: osservata una transizione elettronica in grado di fornire preziose informazioni sull’antimateria

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Portrait of Jeff Hangst Courtesy: CERN

In un articolo pubblicato nei giorni scorsi sulla rivista Nature, ALPHA annuncia che ha letteralmente raggiunto un livello superiore nella comprensione dell’antimateria. Gli scienziati hanno per la prima volta osservato la transizione dell’elettrone Lyman-alfa nell’atomo anti-idrogeno, la controparte dell’idrogeno nell’antimateria. Questo risultato, che arriva poco dopo un’altra recente scoperta del progetto, mostra che ALPHA sta aprendo la strada a esperimenti di precisione che potrebbero far luce su alcune differenze comportamentali tra materia e antimateria.

La transizione Lyman-alfa e l’antimateria

La transizione Lyman-alfa (o 1S-2P) è una delle transizioni elettroniche scoperte nell’atomo di idrogeno più di un secolo fa dal fisico Theodore Lyman e che costituiscono la “serie Lyman”. La transizione avviene quando un elettrone passa dal suo livello di energia più basso (1S) a un livello di energia più alto (2P), prima di ritornare al livello 1S emettendo un fotone ad una lunghezza d’onda di 121,6 nanometri.

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Questa transizione è molto speciale. In astronomia, consente agli scienziati di sondare lo stato del mezzo presente tra due galassie e di testare i modelli del cosmo. Nel caso degli studi sull’antimateria, potrebbe fornire misurazioni precise di come l’anti-idrogeno reagisce alla luce e alla gravità.

Trovare la minima differenza tra il comportamento di antimateria e materia rende possibile consolidare le basi del modello standard di fisica delle particelle e, possibilmente, comprendere meglio perché l’universo sia composto quasi interamente di materia, mentre la materia e l’antimateria sarebbero state prodotte in quantità uguali durante il Big Bang.

La ALPHA produce atomi di anti-idrogeno raccogliendo antiprotoni dal CERN Antiproton Decelerator (AD) e legandoli ai positroni dall’isotopo Na-22. Quindi intrappola gli atomi di anti-idrogeno risultanti in una trappola magnetica, che impedisce loro di entrare in contatto con la materia e di essere quindi annientati. Una luce laser viene quindi proiettata sugli atomi di anti-idrogeno intrappolati, in modo da misurare la reazione spettrale di quest’ultimo. Per ottenere queste misurazioni, viene utilizzata una gamma di frequenze laser e il numero di atomi sfuggiti della trappola viene contato a causa delle interazioni tra il laser e gli atomi intrappolati.

La transizione 1S-2S

La ALPHA ha precedentemente utilizzato questa tecnica per misurare la cosiddetta transizione 1S-2S. Adottando lo stesso approccio, da una serie di lunghezze d’onda laser in prossimità di 121,6 nanometri, ALPHA ha ora rilevato la transizione Lyman-alfa in un atomo di anti-idrogeno e ne ha misurato la frequenza con una precisione dell’ordine di poche parti per cento milioni, ottenendo un buon rapporto con la transizione equivalente in idrogeno.

L’accuratezza non è elevata come quella ottenuta con l’idrogeno, ma questo risultato rappresenta un importante progresso tecnologico nell’uso della transizione Lyman-alfa per raffreddare grandi campioni di antiidrogeno usando la tecnica di laser.

“Siamo davvero contenti di questo risultato”, afferma Jeffrey Hangst, portavoce dell’esperimento ALPHA. La transizione Lyman-alfa è, come sappiamo, difficile da analizzare, anche nell’idrogeno “normale”. E sfruttando la nostra capacità di intrappolare e mantenere per molte ore un gran numero di atomi di anti-idrogeno e utilizzando una sorgente pulsata di luce laser siamo stati in grado di osservare la transizione alfa-Lyman. Il prossimo passo sarà il raffreddamento laser, che cambierà il gioco per le misurazioni spettroscopiche e gravitazionali di precisione.”

 

 

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