Approfondire la comprensione delle interazioni fra antimateria e materia
Il positronio è un atomo relativamente poco conosciuto ma con un grande potenziale. Non ha nucleo e si forma dal legame tra un elettrone con carica negativa e un positrone con carica positiva, l’antiparticella dell’elettrone. Questo fa del positronio l’antiatomo più semplice: un atomo contenente antimateria. Gli atomi di positronio sono instabili e ciò ha aiutato agli scienziati a scoprirlo per la prima volta. «Il positronio è instabile, cioè vive solo per un tempo finito, prima che l’elettrone e il positrone si annichiliscano a vicenda, trasformando la massa in energia pura sotto forma di luce», spiega Dermot Green, lettore di Matematica applicata e Fisica teorica presso la Queen's University Belfast. «Questo segnale di annichilazione - esplosioni di luce rilevabili - è stata la pistola fumante che ci ha detto che il positronio esiste». Una comprensione più approfondita delle interazioni tra il positronio e altra materia potrebbe aiutare a compiere progressi in campi che vanno dall’astrofisica alla medicina. «In medicina, i positroni sono al centro della tomografia a emissione di positroni (PET), ad esempio», spiega Green, coordinatore del progetto ANTI-ATOM. Nel progetto ANTI-ATOM, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca (CER), Green e i suoi colleghi hanno utilizzato un mix di teoria e calcolo per elaborare teorie che descrivessero queste complesse interazioni. «Il nostro lavoro fornisce una visione fondamentale delle interazioni dei positroni con atomi e molecole e, più in generale, informa e fornisce parametri di riferimento per altri approcci teorici e computazionali al https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg9774 (problema quantistico a molti corpi)», aggiunge.
Individuare il legame positrone-molecola
«Il nostro lavoro si è concentrato sul calcolo del legame dei positroni con le molecole», spiega. Quando un positrone si lega a una molecola, cede la sua energia alla molecola, che può iniziare a vibrare, spiega l’esperto. Il positrone non può fuggire finché non recupera questa energia. Per tutto il tempo, resta in attesa con molti elettroni nella molecola, quindi inevitabilmente si annichilisce. «I pionieri della sperimentazione in California, guidati dall’eminente Clifford Surko, hanno progettato una trappola per positroni e un fascio sintonizzabile con l’energia e l’hanno usata per misurare questo tasso di annichilazione potenziato», osserva.
Sviluppare una teoria delle interazioni
La descrizione delle interazioni dei positroni con atomi e molecole è un problema molto impegnativo, a causa delle forti interazioni quantistiche a molti corpi che caratterizzano questi sistemi. Il team si è quindi rivolto a sofisticati metodi teorici che hanno origine nella teoria quantistica dei campi, ma che sono adattati a sistemi finiti a bassa energia. Questi metodi sono stati tradotti in codici informatici all’avanguardia, con calcoli eseguiti su cluster di supercalcolatori. «Per quanto riguarda la parte computazionale, abbiamo tratto grande beneficio dalla collaborazione con Charles Patterson del Trinity College di Dublino», osserva. «Abbiamo adattato il suo codice EXCITON, già in grado di effettuare calcoli a molti corpi di sistemi elettrone-materia, in modo da includere i positroni».
Una descrizione pionieristica dei positroni
Il risultato più importante del progetto è stata la prima descrizione ab initio del legame dei positroni con le molecole in accordo con l’esperimento, un aspetto che era rimasto elusivo per decenni. «I nostri risultati hanno trovato un ottimo accordo con l’esperimento e hanno fornito intuizioni fondamentali, tra cui il modo in cui il legame con i positroni può essere potenziato», osserva. I ricercatori intendono ora espandere i loro approcci teorici e computazionali, utilizzandoli come solide basi per considerare nuovi problemi, tra cui molecole più grandi, cluster, liquidi e altri processi fondamentali, tra cui la diffusione di elettroni e positroni su atomi e molecole. «Ho ottenuto una sovvenzione del CER per il consolidamento che ci aiuterà a fare proprio questo», aggiunge.
Parole chiave
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