L’antimateria

A ogni particella è associata un'antiparticella, ossia una particella con la stessa massa ma con tutte le cariche opposte. Una particella priva di cariche, per esempio il fotone, è l'antiparticella di se stessa.

Ora vediamo come s’è scoperta questa antimateria e alcune delle sue proprietà. Formulando nel 1930 la teoria già citata, Dirac non poté fare a meno di osservare che l'energia appariva sempre nella forma ( + o -) E e che, per quanto il senso comune non potesse accettare che la soluzione in cui l'energia è positiva, nulla sembrava impedire l'esistenza di stati di energia negativa, anche se nessuno ne capiva il significato. Infatti l'energia cinetica è (1 / 2) m v2 e quella di massa m c2 , due numeri positivi, e ogni corpo può soltanto fornire energia mediante il suo arrestarsi o la sua sparizione.

Possiamo forse immaginare un corpo che si raffredda frenando? Ma perché nessuna teoria permette di escludere a priori le energie negative? Già nel 1939 Weyl, prima di Dirac, aveva cercato di rivelare il paradosso ma senza successo, e fu soltanto la teoria delle buche che permise all'intuizione di concepire questi strani stati.

Dirac ci chiede di immaginare un "oceano" ipotetico avente la forma di un etere infinito riempito in maniera compatta da tutti gli stati possibili delle particelle di energia negativa. Non possiamo percepire questo mezzo, poiché la nostra materia solida, obbedendo al principio di Pauli, può sovrapporsi a qualsiasi altra materia diversa. Supponiamo che per caso un quanto d'energia, un fotone ad esempio, urti uno di questi falsi elettroni e lo cacci dal suo ambiente fantasma fornendogli un'energia almeno uguale al doppio della sua massa a riposo, cioè + 2 m c2 .Se la sua energia negativa era prima - m c2 , ora è diventata + 2 m c2 - m c2 = m c2 , e questa semplice operazione aritmetica ci prova che ora esso è diventato una particella di energia positiva, cioè un elettrone completamente normale, giunto nel nostro mondo con un salto di energia pari a 2 m c2 al di sopra del nulla.

Ma ha lasciato dietro di sé, nell'oceano delle energie negative, una buca che ora è percepibile dato che distrugge la compattezza dell'ambiente fantasma. Questa buca di antimateria si comporta come un elettrone a carica positiva e viene a emergere nel nostro mondo sotto forma di particella animata da energia positiva. Il non essere è venuto all'essere come una bolla d'aria sale alla superficie del mare.
La vita di questo "positrone" (rappresentato con e+ ) sarà tragicamente interrotta quando un elettrone incontra questa buca nella quale cade annichilandosi ed emettendo un fiotto di energia pari almeno a 2 m c2 , che si manifesta sotto forma di fotoni. L'apparizione dell'antimateria è nel nostro mondo un fenomeno breve e passeggero, anche se il positrone, avendo tutte le caratteristiche di un elettrone positivo, è di per sé stabile.

Ciò non vuol dire che l'elettrone e il positrone si annichilano appena si vedono, dato che tutte le particelle possono avere interazioni con le loro antiparticelle a patto che rimangano a distanza sufficiente l'una dall'altra per evitare il punto in cui sembra concentrarsi la buca. Vedremo infatti che la natura non ha riservato al solo elettrone il privilegio di avere un'antiparticella, dato che ogni essere quantistico elementare ha la proprietà di essere stato creato in coppia con il suo anti-essere e di sparire con lui.

Per questo motivo l'elettrone e il positrone possono per brevi istanti vivere associati sotto forma di materia speciale, il "positronio", prima di annichilarsi in 10-7 secondi. La materializzazione del fotone g in una coppia e+ , e- si indica

g ® e+ + e-

e non può realizzarsi se l'energia del fotone è inferiore a 1,02 MeV.