Interazioni tra materia e antimateria

Il nucleo dell’atomo di materia sappiamo essere formato da due tipi di particelle: protoni e neutroni. Questi sono chiamati complessivamente con il nome di nucleoni. Le loro proprietà fisiche sono molto diverse, ad eccezione della massa la cui differenza è minima.

Nell’antimateria esistono particelle equivalenti, chiamate antinucleoni, ovvero antiprotoni e antineutroni, le antiparticelle di protoni e neutroni. Anch’esse sono adroni, quindi interagiscono tramite la forza nucleare forte, ma hanno alcuni numeri quantici opposti (numero barionico e carica elettrica, ad esempio).

Oltre a fare scattering elastico ed inelastico, gli antinucleoni possono essere “assorbiti” tramite il processo di annichilazione, ovvero quando una particella e un’antiparticella interagiscono e la loro intera energia viene convertita in altre particelle (prevalentemente fotoni e pioni). Lo studio di questi processi è dipendente dall’interazione nucleare forte, che ha una teoria (la cromodinamica quantistica, o QCD) valida solamente ad alte energie. Quando si scende a basse energie, quelle necessarie per descrivere anche processi di questo tipo, la teoria presenta delle divergenze e altri problemi matematici che non hanno interpretazione fisica. Per ovviare il problema, negli anni si sono raccolti sempre più dati a basse energie per interazioni di antimateria e materia, e ai complessi calcoli di QCD su reticolo si sono sostituiti dei modelli per il potenziale forte del nucleo.

Le misurazioni delle sezioni d’urto di antiprotoni in ASACUSA

La collaborazione ASACUSA (Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons) negli ultimi anni ha svolto diverse misurazioni, legate soprattutto ad atomi antiprotonici e alla produzione di antidrogeno. Oltre a queste misurazioni, sono state effettuate anche alcune misure di sezione d’urto di antiprotone su alcuni nuclei.
Tutte queste misure sono avvenute in regime di bassa (< 1 MeV) e bassissima energia (~125 keV), regioni poco esplorate dagli attuali e dai passati esperimenti.

Le sezioni d’urto di antiprotone studiate sono in particolare quelle di annichilazione, e nel 2017 sono stati ottenuti risultati per antiprotoni di momento p = 100 MeV/c su target di carbonio, nichel, stagno e platino.

Analisi dei dati di scattering elastico di antinucleoni con il potenziale ottico di Woods-Saxon

Negli anni ?? sono state realizzate diverse misure del profilo della densità di carica dei nuclei atomici. La forma comune a tutti i nuclei era una funzione diventata nota come Woods-Saxon, la cui espressione matematica è identica alla distribuzione di Fermi.
Nella formulazione di modelli per l’interazione forte del nucleo atomico, si è spesso supposto che il potenziale potesse avere un profilo simile a quello della densità di carica. Il modello che risulta da questa supposizione è il potenziale ottico di Woods-Saxon.

Questo modello ha molte varianti, che dipendono da quanti termini si includono a seconda dei tipi di processi presi in considerazione (termini di superficie e di volume, termini di spin…). La versione standard prende in esame una parte reale e una immaginaria, per riprodurre fenomeni di scattering e di assorbimento rispettivamente (anche se entrambi prendono parte ai processi), le cui caratteristiche geometriche possono essere identiche oppure diverse, a seconda delle scelta del numero di parametri geometrici da adottare.

Usando algoritmi di risoluzione numerica dell’equazione di Schrödinger radiale con questo potenziale – oltre a quello coulombiano – e utilizzando la formulazione in onde parziali dello scattering, si possono calcolare le sezioni d’urto di un dato proiettile su un nucleo qualunque a diverse energie. In questo modo, il procedimento può essere invertito e dai dati sperimentali, tramite un fit che usa questo tipo di calcolo come funzione di test, si possono determinare i valori dei parametri del potenziale ottico. Questi valori sono poi utili per determinare previsioni e altri tipi di calcoli utili sia per il design di nuovi esperimenti che per testare altri modelli.