Per la prima volta, una nuvola di positronio, l’atomo più leggero presente in natura, è stata raffreddata grazie all’utilizzo di un laser. Ad ottenere l’attesa prova sperimentale di questo processo è stata la collaborazione scientifica dell’esperimento AEgIS, alla quale contribuiscono in modo rilevante anche l’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) e l’Università degli Studi di Brescia. Fa infatti parte della collaborazione scientifica AEgIS anche un gruppo di ricerca dell’Università degli Studi di Brescia.
Il risultato, pubblicato su Physical Rview Letters come Editor’s Highlight, è stato ottenuto impiegando un particolare sistema laser, basato su un cristallo di alessandrite e sviluppato specificamente per soddisfare i requisiti di questo esperimento: alta intensità, ampia larghezza di banda e lunga durata dell'impulso. La temperatura degli atomi di positronio prodotti da un bersaglio di silica porosa a temperatura ambiente, colpito da un fascio di positroni, è diminuita da 380 gradi kelvin a 170 gradi kelvin, corrispondente a una diminuzione della componente trasversale della velocità da 54 km/s a 37 km/s.
Il positronio è un fratello minore dell'idrogeno, con un positrone che sostituisce il protone. Di conseguenza, è più leggero dell'idrogeno di circa un fattore 2.000, tanto da essere, appunto, il più leggero atomo esistente in natura. È un atomo instabile: nel vuoto e nello stato fondamentale, con spin paralleli delle due particelle, si annichila con un tempo di vita di soli 142 nanosecondi (miliardesimi di secondo). Il raffreddamento del positronio deve quindi avvenire durante la sua breve vita e ciò rende così impegnativo riprodurre questo processo, rispetto agli atomi ordinari. L’uso di un laser pulsato a larga banda ha il vantaggio di raffreddare una grande frazione della nuvola di positronio, raddoppiandone il tempo di vita effettivo e rendendo disponibili dopo il raffreddamento un numero maggiore di atomi per ulteriori sperimentazioni.
L’obiettivo scientifico dell’esperimento AEgIS, uno degli esperimenti che opera nella Antimatter Factory del CERN, è la misura dell’accelerazione gravitazionale dell’antidrogeno, come test per l’antimateria del principio di equivalenza debole di Einstein, uno dei capisaldi della teoria della Relatività Generale, secondo cui un corpo che si muove in caduta libera nel vuoto sottoposto a un campo gravitazionale segue una traiettoria nello spazio indipendente dalla composizione del corpo stesso. Nel caso di AEgIS, l’antidrogeno è ottenuto mediante una reazione proprio tra il positronio in stato eccitato e antiprotoni intrappolati. Minore è la velocità del positronio, maggiore è la probabilità di formazione dell'antidrogeno: da qui l'importanza di raffreddare gli atomi di positronio per ridurne il più possibile l’energia cinetica.
L’Università degli Studi di Brescia fa parte della collaborazione AEgIS sin dalla sua fondazione nel 2011. In particolare, il gruppo di Brescia si è da sempre occupato degli scintillatori e dei fotomoltiplicatori che permettono ai ricercatori di “vedere” le annichilazioni dell’antimateria.
“Le annichilazioni dell’antimateria, che avvengono quando essa collide con la materia ordinaria, non possono essere viste ad occhio nudo, ovviamente, ma sono necessarie strumentazioni sofisticate per poter essere osservate - spiega il prof. Nicola Zurlo del Dipartimento di Ingegneria Civile Ambiente Territorio Architettura e Matematica dell’Università degli Studi di Brescia nonché coordinatore del gruppo 3 (Fisica Nucleare) presso la Sezione INFN di Pavia -. Ecco il motivo per cui l’apparato principale di AEgIS è circondato da rivelatori plastici che, calibrati opportunamente con una procedura messa a punto negli anni dal nostro gruppo di ricerca di Brescia, consentono di distinguere il segnale prodotto dall’annichilazione dei positroni da quello dell’annichilazione degli antiprotoni, oltre che da quelli prodotti dai raggi cosmici e dalla radioattività naturale presente nella sala in cui si trova l’esperimento, al CERN”.