Materia interamente costituita da antiparticelle, quali antiprotoni, antineutroni, positroni, ecc. Sinora non è stato possibile individuare né sulla Terra né nell'Universo quantità apprezzabili di antimateria.

Per ciò che riguarda la Terra, questo è comprensibile in quanto l'a. a contatto con la materia ordinaria si trasformerebbe completamente in energia raggiante; invece alcune violente esplosioni di energia, osservabili in lontane galassie, potrebbero essere attribuite ad annichilazione di materia e antimateria.

Comunque ha notevole interesse il fatto che siano stati prodotti in laboratorio nuclei di antideuterio (antideutone, 1969) e di antielio 3 (1970). Il problema di definire se l'a. eserciti azioni attrattive o repulsive sulla materia ordinaria riveste tuttavia un'importanza capitale ai fini dell'accettazione della teoria della relatività generale. Infatti, se tali azioni fossero repulsive, cadrebbe il principio di equivalenza, che è a fondamento di questa teoria, secondo il quale un campo inerziale sarebbe indistinguibile da un campo gravitazionale (v. materia ).

La ricerca sull'a. ha condotto recentemente alla realizzazione del primo antiatomo e alla formulazione di nuove ipotesi sull'assenza di simmetria tra materia e a. nell'Universo attuale, verificata almeno fino al limite delle odierne osservazioni (circa 50 milioni di anni luce, pari a 1/300 delle dimensioni dell'Universo). Un'ipotesi è quella dell'esistenza di regioni di materia e di regioni di a. ben separate da grandi spazi vuoti, affinché non interferiscano tra loro annichilandosi. Esisterebbero cioè antigalassie composte interamente da a. (e quindi antistelle e antipianeti), indistinguibili all'osservazione ottica da Terra, dalle galassie composte dalla materia ordinaria, poiché si ritiene che l'a. emetta lo stesso tipo di radiazione della materia. Tuttavia, queste antigalassie non sembrano esistere entro un raggio di almeno 50 milioni di anni luce dalla Terra. Infatti, se esistessero, parte dell'a. di antistelle e di antigalassie si annichilerebbe nell'urto con la materia ordinaria delle stelle e delle galassie, producendo intensi lampi di radiazione gamma. Pur ammettendo l'esistenza di spazi vuoti non si può pensare che in occasione di un'esplosione stellare, p. es., parte della materia e dell'a. non finiscano per collidere nello spazio interstellare. Ma queste emissioni gamma non sono mai state osservate. L'altra ipotesi è basata sull'esistenza di una “superforza” che nei primi momenti di vita dell'Universo dopo il big-bang avrebbe distrutto quasi tutte le antiparticelle.

Tale teoria è stata postulata nel 1967 dal fisico sovietico Andrej Dmitrievicù Sacharov e si basa sulla possibilità di violazione di tre simmetrie fondamentali: la conservazione del numero barionico B, finora mai violata in natura (almeno finché non sarà possibile accertare il decadimento del protone), la simmetria di carica C tra particella e antiparticella e la simmetria CP, cioè data dal prodotto della simmetria di carica per la simmetria di parità P. Nel primo secondo dopo il big-bang, in base alla Teoria della Grande Unificazione, tutte le forze che ora osserviamo in natura si sarebbero riunite in una singola “superforza”, di cui sarebbe stato vettore la cosiddetta particella X. Tale particella sarebbe stata straordinariamente pesante, con una massa pari a circa 1012 quella di un nucleo atomico come, p. es., quello del piombo. Quando l'Universo avrebbe cominciato a raffreddarsi e la particella X sarebbe decaduta, l'asimmetria nelle leggi della fisica dovuta alla violazione della parità CP avrebbe portato a una leggerissima prevalenza di particelle rispetto alle antiparticelle: 1.000.000.001 di particelle per ogni 1.000.000.000 di antiparticelle. Il miliardo di particelle si sarebbe annichilato con il miliardo di antiparticelle lasciando “libera” una singola particella, che insieme alle altre costituirebbe ora la materia di cui è fatto l'Universo.

Tale teoria spiegherebbe anche perché nella radiazione di fondo che pervade l'Universo si trovano circa un miliardo di fotoni per ogni particella di materia. I fotoni rappresenterebbero ciò che resta della radiazione gamma emessa dall'annichilazione primordiale della materia con l'antimateria. La leggera asimmetria iniziale avrebbe portato però in alcune regioni di spazio anche a una situazione inversa da quella descritta, con una leggerissima prevalenza di antimateria. Quest'ultima avrebbe poi formato antigalassie che potrebbero esistere tuttora anche se fuori dal famoso raggio di 50 milioni di anni luce dalla Terra, visto che al di fuori di questo raggio esistono circa 100 milioni di cluster di galassie. Per individuare l'eventuale presenza di a. proveniente da cluster di galassie lontane è necessario porsi al di fuori dell'atmosfera terrestre, dato che eventuali antiparticelle che giungessero sulla Terra da altre parti dell'Universo verrebbero annichilate nell'atmosfera del nostro pianeta nell'urto con le corrispondenti particelle.

Finora sono stati compiuti esperimenti con i palloni-sonda, ma questi hanno avuto una breve durata (poche ore) e hanno rilevato soltanto antiprotoni, i quali, però, potrebbero essere stati generati dall'urto tra protoni ad alta energia e non provano la loro origine cosmica, p. es. quali nuclei di antidrogeno. Per accertare l'esistenza di a. di origine cosmica bisogna rintracciare antinuclei più pesanti, come nuclei di antielio o di maggior numero atomico ancora, di chiara derivazione da antiatomi. Per fare ciò è necessario un rivelatore più sensibile di quelli attuali e capace di individuare una particella di a. su 10 miliardi di particelle di materia ordinaria, e quindi in grado di poter restare in loco per un tempo più lungo di quello consentito dai palloni-sonda. Con questi presupposti, nel 1995 è stato avviato il progetto dell'esperimento A.M.S. (Alpha Magnetic Spectrometer, Spettrometro magnetico Alpha), realizzato da una collaborazione internazionale fra Italia (I.N.F.N., Istituto Nazionale Fisica Nucleare), Stati Uniti, Svizzera, Cina, Germania, Finlandia, Russia e Taiwan. L'A.M.S. ha compiuto il suo primo volo in orbita dal 2 al 12 giugno 1998 con lo shuttle Discovery (missione STS-91), raccogliendo dati relativi a oltre 100 milioni di raggi cosmici di altissima energia, registrati su 30 nastri magnetici. L'analisi dei dati ha messo in evidenza la presenza di antielettroni e antiprotoni.

Flussi anomali di antiprotoni, positroni e fotoni nei raggi cosmici, potrebbero provenire dall'annichilazione di ipotetiche particelle pesanti e invisibili che, secondo alcune teorie, costituirebbero gran parte della "materia oscura" dell'Universo, osservata indirettamente attraverso i suoi effetti gravitazionali, ma la cui natura non è stata ancora chiarita. Risultati definitivi sull'esistenza dell'a. potranno venire dal 2002, quando l'A.M.S. sarà installato per tre anni sulla Stazione Spaziale Internazionale. Costituente fondamentale dell'A.M.S. è un rivelatore (detector) basato su uno spettrometro con una sensibilità centomila volte maggiore rispetto ai precedenti per individuare eventuali antinuclei pesanti di origine cosmica. Il rivelatore consiste in un magnete permanente cavo da 2 t di forma cilindrica, realizzato con ferro, boro e neodimio e capace di generare un campo di 0,15 Tesla. È alto circa 1 m e ha il diametro di 1 m. Al suo interno trovano posto rivelatori di particelle molto più grandi di quelli usati in precedenza nello spazio: derivano da quelli utilizzati nei grandi acceleratori di particelle, ma è stato necessario adattarli alle condizioni spaziali (sbalzi di temperatura, vibrazioni del lancio, ecc.).

Quando una particella caricata positivamente entra nel magnete cilindrico viene deflessa dal campo magnetico secondo un certo angolo, mentre se la particella è caricata negativamente viene deflessa in maniera speculare. Per misurare la quantità di carica si osserva in che modo la particella viene rallentata dalla forza elettrica che si instaura tra essa e gli elettroni degli strati di silicio e quindi in quale quantità essa cede energia al silicio. Per misurare la massa, invece, si valuta il momento di inerzia della particella (che risulta inversamente proporzionale alla deflessione provocata dal campo magnetico) e la sua velocità. Quando viene individuata una particella con la stessa massa e la stessa carica del nucleo di un atomo di un determinato elemento, ma deflessa in direzione opposta a quanto ci si aspetta, tale deflessione indica che si tratta di un antinucleo di quell'elemento.