Tracce di particelle di antimateria fotografate con una risoluzione senza precedenti

I ricercatori di AEḡIS (Antimatter Experiment: Gravity Interferometry and Spectroscopy) hanno sviluppato un nuovo sensore per la rivelazione di particelle di antimateria, modificando un sensore di immagine utilizzato nelle fotocamere dei telefoni cellulari, e che in essi è normalmente usato per trasformare la luce in ingresso in un'immagine digitale. L’uso di questi sensori (chiamati CMOS, Complementary Metal Oxide Semiconductor), che hanno pixel di silicio di dimensioni inferiori a 1 micrometro, ha portato a risultati senza precedenti.

Pubblicati sulla rivista Science Advances i risultati dell’esperimento AEḡIS, attivo al CERN di Ginevra, a cui contribuiscono diversi team di ricerca internazionali, e in particolare gruppi dell’Università degli Studi di Milano e dell’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), oltre alla Università di Trento, l’Università di Brescia e il Politecnico di Milano.

L’obiettivo scientifico principale dell’esperimento AEḡIS è la misura dell’accelerazione gravitazionale dell’antidrogeno, il più semplice atomo di antimateria stabile, composto da un antiprotone e un positrone (antiparticella dell’elettrone). Questa misura ha lo scopo di verificare per l’antimateria la validità del principio di equivalenza debole di Einstein, uno dei capisaldi della teoria della Relatività Generale. Il moto degli atomi di antidrogeno nella gravità terrestre viene rilevato attraverso l’osservazione delle tracce della loro annichilazione sui sensori.

L'esperimento AEḡIS ha stabilito un nuovo record mondiale di risoluzione nella rivelazione delle annichilazioni di antimateria, riuscendo a determinare la posizione dell'impatto di antiprotoni sulla superficie del sensore con una precisione di 0.6 micrometri. Oltre al punto di impatto, il sensore ha dimostrato di essere in grado di rivelare la traiettoria dei frammenti risultanti dall'annichilazione con la più alta risoluzione mai raggiunta finora in un rivelatore a pixel, e di distinguere le diverse tipologie di frammenti delle annichilazioni.

“Questo nuovo dispositivo rivelatore è l'equivalente elettronico di una lastra fotografica, e raggiunge una risoluzione nel tracciamento di particelle praticamente equivalente a quella dei migliori rilevatori a emulsione. Con il grande vantaggio di essere in modalità elettronica, e quindi con dati immediatamente leggibili e interpretabili” spiega Fabrizio Castelli, docente del dipartimento di Fisica “Aldo Pontremoli” della Statale.

“Questo sensore rappresenta un vero e proprio punto di svolta per l'osservazione della piccola deviazione causata dalla gravità in un fascio di antidrogeno che si muove orizzontalmente, e potrebbe avere un impatto significativo anche più in generale per la fisica delle particelle, specialmente in esperimenti dove l'alta risoluzione di posizione è cruciale”, commenta Ruggero Caravita, ricercatore INFN del TIFPA di Trento e responsabile della collaborazione AEḡIS.

“Tuttavia, un singolo sensore non è sufficiente per la maggior parte degli scopi, date le sue ridotte dimensioni”, commenta Francesco Guatieri della Research Neutron Source FRM II della Technical University of Munich, coordinatore della ricerca, “per questo abbiamo integrato 60 di questi sensori in un singolo dispositivo, l’Optical Photon and Antimatter Imager (OPHANIM), ottenendo il rivelatore fotografico con il maggior numero di pixel attualmente operativo: 3840 Mpixel. Questo ci permette di avere sia altissima risoluzione, sia una buona superficie di raccolta delle particelle”.