I buchi neri non esistono piu’?

Visto che ci e’ stato chiesto da diverse persone, sia sul blog che sul forum, e dal momento che questa notizia ha suscitato una discussione con un’eco enorme sui giornali, credo sia proprio il caso di parlare del famoso ultimo articolo di Stephen Hawking. Sicuramente avrete letto questa notizia su qualche sito o giornale. Come sapete, solo qualche giorno fa il piu’ celebre cosmologo in vita ha reso pubblico un nuovo lavoro riguardante i buchi neri.

Stando a quanto si legge sui giornali, Hawking ha cambiato idea sui buchi neri o meglio, come trovate scritto, secondo lui che e’ stato sicuramente uno dei piu’ grandi studiosi di questi oggetti celesti, i buchi neri non esistono piu’!

Che fine hanno fatto?

Semplice, nell’interpretazione data dai giornali, Hawking ha messo in discussione l’esistenza di quello che viene definito “orizzonte degli eventi”, cioe’ la linea immaginaria di dimercazione della parte piu’ interna dei buchi neri. Se l’orizzonte degli eventi non esiste piu’ allora materia ed energia possono uscire dall’interno verso l’esterno. Come trovate scritto, sotto questa ipotesi, i buchi neri non sono piu’ neri ma sono grigi. Perche’? Semplice, li chiamavamo buchi neri perche’ neanche la luce poteva uscire dal forte campo gravitazionale interno e per questo motivo apparivano neri. Se ora qualcosa puo’ uscire, o meglio quel qualcosa resta intrappolato solo per un certo tempo, non possiamo piu’ vedere questi corpi come neri.

Questo e’ il sunto di quello che potete leggere sui giornali. Come spesso avviene pero’, questa trattazione e’ assolutamente incompleta e, soprattutto, fuorviante per chi la legge.

Cerchiamo di andare con ordine e capire meglio tutta la storia.

Per prima cosa, di buchi neri abbiamo parlato in questo articolo:

– I buchi neri che … evaporano

Come detto, secondo le attuali teorie, il buco nero sarebbe lo stadio ultimo dell’evoluzione di stelle molto massive. Praticamente, la stella che sta morendo si comprime fino a ridursi ad una singolarita’, cioe’ ad un punto. In queste condizioni, la sua massa si concentra in uno spazio molto ristretto con densita’ elevatissima. Si crea dunque un campo gravitazionale molto intenso che possiamo vedere come un inghiottitoio molto profondo in cui materia ed energia cadono dentro senza scampo.

Sempre nel nostro articolo pero’, avevamo parlato in particolare dell’evaporazione dei buchi neri, cioe’ della formazione di coppie di particelle in prossimita’ dell’orizzonte degli eventi di cui una particella cade nel buco mentre l’altra riesce ad uscire sotto forma di radiazione, dando quella che vien detta l’evaporazione dei buchi neri.

Ora, riprendiamo un attimo questi concetti per capire meglio. Per prima cosa, il famoso articolo di Hawking non e’ un vero e proprio lavoro nel senso stretto del termine, ma una comunicazione pubblicata sull’archivio arXiv, e ripreso successivamente dal sito di Nature, e scaricabile a questo link:

– Hawking, arXiv

In maniera molto scherzosa, Hawking ha intitolato questo lavoro “Conservazione dell’informazione e previsioni meteo per i buchi neri”. Non si tratta di un vero e proprio articolo perche’ deve ancora passare il processo di peer review da parte delle riviste del settore. Quella he pero’ ha suscitato molto interesse e’ la frase “there are no black hole”, cioe’ “non ci sono buchi neri” o, in alternativa, “i buchi neri non esistono”. Se una frase del genere viene scritta da uno come Hawking, e’ normale che si crei tutto questo interesse.

Come sapete, e come abbiamo visto nel precedente articolo, ad oggi abbiamo una serie di ipotesi su questi corpi, ma siamo ben lontani dal poter affermare di aver capito come funzionano.

Perche’?

In particolare, se vediamo ai buchi neri pensando al discorso dell’orizzonte degli eventi, arriviamo a far scontrare tra loro meccanica classica, e relativita’, e teoria quantistica. Come detto, se ci fosse un orizzonte degli eventi oltre il quale il forte campo gravitazionale impedisse a materia ed energia di uscire, avremmo quella che si chiama perdita di informazione. Praticamente, qualunque cosa si trovi a passare in prossimita’ del buco nero sarebbe assorbita senza lasciare traccia, cioe’ senza preservare l’informazione.

Per far capire questo concetto, spesso si utilizza l’esempio dell’astronauta che si avventura nel buco nero. Secondo la relativita’, l’uomo non si accorgerebbe di aver passato l’orizzonte degli eventi ma il campo gravitazionale cosi’ intenso, cioe’ con delle variazioni molto forti per piccoli avvicinamenti al centro, stirerebbe il corpo dell’astronauta fino a renderlo simile ad uno spaghetto.

Al contrario, la meccanica quantistica, prevede di poter conservare l’informazione oltre a richiedere che le leggi della fisica siano le stesse in ogni punto dell’universo.

Proprio questa incongruenza tra teoria classica e quantistica, sta facendo discutere non solo i cosmologi da diversi anni. Detto in parole molto semplici, la relativita’ e’ ottima per spiegare le grandi scale del nostro universo, mentre la meccanica quantistica interviene prepotentemente quando parliamo di particelle e dunque mondo microscopico. Se pero’ proviamo a mettere insieme queste teorie, formulando una teoria del tutto, cioe’ valida a tutte le scale, allora cominciano i problemi.

Quando si dice che abbiamo ipotesi assolutamente non verificate sui buchi neri, si intende proprio questo, le teorie formulate fino ad oggi, non sono in grado di spiegare quello che ci aspettiamo anzi vanno in conflitto tra di loro.

Gia’ negli anni scorsi, Hawking si era scontrato, scientificamente parlando, con altri cosmologi che hanno formulato teorie diverse per spiegare, o meglio evitare, la perdita di informazioni al passaggo attraverso l’orizzonte degli eventi. In particolare, si e’ proposta l’esistenza del firewall, cioe’ una linea oltre il quale il corpo dell’astronauta del nostro esempio verrebbe incendiato piuttosto che allungato. In questo modo, si eviterebbero problemi legati alla perdita di informazioni ma verrebbe sempre messo in discussione il principio di equivalenza.

Ora, tra astronauta allungato o bruciato, la comunicazione di Hawking propone una terza affascinante ipotesi. Secondo quanto riportato, l’orizzonte degli eventi sarebbe solo una linea di demarcazione apparente dominata da processi caotici.

Che significa?

In parole povere, materia ed energia rimarrebbero sospese in queste fluttuazioni spaziali aspettando la possibilita’ di uscire. All’uscita pero’, poiche’ dominati da effetti caotici, l’informazione ne uscirebbe preservata ma assolutamente mescolata. Capite dunque perche’ qualcuno parla di “buco grigio”, materia ed energia potrebbero uscire attraverso questo orizzonte apparente che possiamo vedere come un muro del caos.

A parte l’enorme eco che l’articolo ha suscitato perche’ proposto da Hawking, come e’ stato interpretato questo lavoro dagli addetti ai lavori?

Ovviamente, l’ipotesi ha suscitato immediatamente interesse, ma e’ ancora troppo presto per fare qualsiasi ragionamento o trarre conclusioni. Come detto in precedenza, non sapevamo con precisione come funziona un buco nero e continuiamo a non saperlo. Praticamente Hawking ha solo proposto una teoria alternativa ma dettata solo da un esperimento mentale. Come avrete visto da soli nell’articolo linkato, non vi e’ nessuna trattazione fisica o matematica di quanto proposto. Sicuramente, a questo articolo seguiranno altri lavori piu’ specifici, ma ora e’ ancora troppo presto per credere o confutare una teoria di questo tipo. Sicuramente, poiche’ Hawking non e’ assolutamente uno sprovveduto, dovremmo aspettarci altri lavori piu’ specifici e con trattazioni piu’ scientifiche delle sue idee.

Concludendo, quanto proposto da Stephen Hawking non rivoluziona assolutamente nulla. Come visto, siamo in un campo assolutamente non compreso della fisica e il lavoro da cui siamo partiti propone solo una nuova chiave di lettura dell’orizzonte degli eventi che, se vogliamo, e’ la parte piu’ oscura dei buchi neri, permettetemi scientificamente di continuare a chiamarli cosi’. A questo punto, non ci resta che aspettare altri articoli con trattazioni piu’ specifiche e su cui ci sara’ sicuramente da discutere.

 

”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

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Fascio di anti-idrogeno? FATTO!

Uno degli aspetti della fisica che suscita maggior interesse nei non addetti ai lavori e’ senza dubbio il concetto di antimateria. Molto probabilmente, il motivo di questo interesse e’ da ricercarsi nelle tante storie fantascientifiche che sono state ispirate dall’esistenza di un qualcosa molto simile alla materia, se non fosse per la carica delle particelle che la compongono, che era presente prima del Big Bang ma che ora sembra totalmente scomparsa. Inoltre, come tutti sanno, se materia e antimateria vengono messe vicine tra loro si ha il fenomeno dell’annichilazione, qualcosa di assolutamente esotico nella mente dei non addetti ai lavori e che ha offerto trame sensazionali per tanti film e serie TV.

Come detto tante volte, dobbiamo fare una distinzione precisa tra quelle che chiamiamo antiparticelle e quella che invece viene intesa come antimateria. Cosi’ come avviene per la materia ordinaria, composta di particelle che, in questo schema, possiamo pensare come elettroni, protoni e neutroni, l’antimateria e’ a sua volta composta da anti-particelle. Spesso si tende a confondere questi due concetti, facendo, come si suole dire, di tutta l’erba un fascio.

Produrre anti-particelle e’ semplice e siamo in grado di farlo gia’ da diversi anni. Per darvi un esempio, molti collisori utilizzati per la ricerca nella fisica delle alte energie fanno scontrare fasci di particelle con antiparticelle. In questo contesto, molto usati sono i positroni, cioe’ gli anti-elettroni, e gli anti-protoni.

Completamente diverso e’ invece il caso dell’antimateria.

Per formare anti-atomi e’ necessario assemblare insieme le anti-particelle per comporre qualcosa simile nella struttura alla materia, ma composto a partire da mattoncini di anti-particelle.

Di questi concetti abbiamo gia’ parlato in articoli precedenti che trovate a questi link:

– Troppa antimateria nello spazio

– Due parole sull’antimateria

– Antimateria sulla notra testa!

Come anticipato, prima del Big Bang, erano presenti in eguale quantita’ materia e anti-materia. Ad un certo punto pero’, l’anti-materia e’ scomparsa lasciando il posto solo alla materia che ha poi formato l’universo che vediamo oggi. Anche se questo meccanismo e’ in linea di principio ipotizzato dalla fisica, ci sono ancora punti da chiarire in quella che viene chiamata “asimmetria materia-antimateria”. Anche di questo abbiamo gia’ parlato in questi articoli:

– E parliamo di questo Big Bang

– Ancora sullo squilibrio tra materia e antimateria

Se, da un lato, produrre antiparticelle e’ semplice, metterle insieme per formare antiatomi non e’ assolutamente banale.

Nel 2011 al CERN di Ginevra era stato annunciato per la prima volta un risultato molto importante: atomi di anti-idrogeno erano stati formati e osservati per un tempo di circa 1000 secondi prima si scomparire. Questa osservazione aveva permesso di osservare alcune importanti proprieta’. Nel 2012, sempre al CERN, un altro esperimento era riuscito a misurare altre importanti proprieta’ di questi anti-atomi, facendo ben sperare per il futuro.

Ora, invece, sempre il CERN ha annunciato di essere riuscito per la prima volta a produrre addirittura un fascio di anti-idrogeni. L’annuncio ‘e stato dato sul sito del laboratorio svizzero:

– CERN, ASACUSA NEWS

e pubblicato sull’autorevole rivista Nature.

La scoperta e’ stata realizzata dalla collaborazione internazionale ASACUSA, di cui fanno parte anche alcuni ricercatori del nostro Istituto Nazionale di Fiscia Nucleare.

Cosa sarebbero questi anti-idrogeni?

Seguendo il ragionamento fatto, questi speciali atomi sono composti dagli analoghi di antimateria di protone e elettrone. Se l’idrogeno ha un nucleo composto da un protone con un elettrone che gira intorno, un anti-idrogeno e’ composto da un anti-protone, carico negativamente, e un positrone che gira intorno, carico positivamente. Come potete facilmente capire, in questo gioco di costruzione di atomi, siamo alla struttura piu’ semplice conosciuta ma, come vedremo tra poco, fondamentale per la comprensione dell’universo.

Come e’ stato fatto questo esperimento?

L’esperimento ASACUSA del CERN

Senza annoiarvi con tecnicismi, gli anti-idrogeni sono prodotti da un deceleratore di antiprotoni e poi allontanati dal punto di produzione ad una distanza sufficiente a non risentire dei campi magnetici. Questo accorgimento e’ fondamentale per stabilizzare gli anti-atomi che altrimenti si scomporrebbero scomparendo. Come vedete nella foto riportata, la camera da vuoto utilizzata e’ infatti un lungo tubo e gli anti-idrogeni sono stati osservati e immobilizzati ad una distanza di quasi 3 metri dal punto di produzione.

Perche’ e’ cosi’ importante l’anti-idrogeno?

La sua semplicita’ rispetto agli atomi piu’ pesanti, sia per materia che per anti-materia, ha fatto si che questi siano stati i primi atomi stabili creati nell’universo in espansione. Secondo la teoria, idrogeno e anti-idrogeno dovrebbero avere esattamente lo stesso spettro di emissione. Poter disporre in laboratorio di un fascio stabile di anti-atomi consentira’ di studiare a fondo le caratteristiche di questa struttura analizzando nei minimi dettagli ogni minima possibile discrepanza con l’idrogeno. Queste caratteristiche aiuterebbero notevolmente nella comprensione dell’asimmetria tra materia e anti-materia dando una notevola spinta in avanti nella comprensione della nascita del nostro universo e nella ricerca di ogni possibile accumulo di anti-materia.

Concludendo, questa importante notizia apre nuovi scenari nello studio della fisica di base, offrendo un’occasione fondamentale per comprende il nostro universo. Come spesso avviene, molti siti e giornali si sono lanciati in speculazioni parlando di pericoli o applicazioni fantascientifiche che lasciano un po’ il tempo che trovano. Sicuramente, il futuro in questa branca della ricerca ha ancora molto da offrire e non possiamo che essere entusiasti delle novita’ che ancora ci attendono.

 

”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

Nube assassina dallo spazio

Nella solita sezione dedicata a queste proposte:

– Hai domande o dubbi

un nostro caro lettore ci ha chiesto informazioni riguardo ad una notizia che, soprattutto negli ultimi giorni, sta facendo molto discutere sul web e ha fornito nuova linfa ai tanti siti catastrofisti che, diciamocela tutta, dopo il 21 dicembre 2012 sono rimasti un po’ a corto di idee.

Di cosa si tratta?

Cerchero’ di farvela molto breve. Anche se sul web girano molte versioni, con dettagli piu’ o meno fantasiosi, il succo e’ pressapoco questo: una massiccia nube di “qualcosa” si sarebbe staccata dal centro della nostra galassia, la Via Lattea, e starebbe per raggiungere ad altissima velocita’ il nostro pianeta. Su cosa sia questo “qualcosa” ognuno ci mette del suo: antimateria, una soluzione acida, antiparticelle. Nonostante questo, il risultato e’ sempre lo stesso: quando la nube raggiungera’ la Terra, e manca ovviamente molto poco, il nostro mondo verra’ spazzato via. Anzi, per dirvela con le stesse parole, l’effetto del passaggio di questa nube sara’ come l’acqua buttata su un foglio scritto con inchiostro, tutto si dissolvera’ a causa dell’interazione tra la materia che costituisce il nostro pianeta e quel qualcosa che forma la nube.

Quanto tempo resta? Ovviamente molto poco, qualcuno parla di giorni, altri di mesi, ma l’ora e’ comunque prossima. Possibile che non se ne sia accorto nessuno? Ma dai, possibile che nessuno se ne sia accorto? Ovviamente qualcuno c’e’, indovinate chi? Ma ovvio, la NASA! Come al solito pero’, i tecnici dell’ente spaziale americano hanno scoperto questa nube e la stanno continuamente monitornando. Purtroppo, per evitare problemi di ordine pubblico, che cuore nobile che hanno, evitano di dirlo ai comuni mortali che tanto sarebbero destinati lo stesso a morire.

Per fortuna, come nei migliori film di fantascienza americani, c’e’ il solito eroe, il buono del film, che si accorge di tutto e cerca di avvisare gli abitanti della Terra. Questo qualcuno e’ uno scienziato, l’astrofisico inglese Albert Shervinsky. Avete capito bene, mica uno qualsiasi, addirittura un astrofisico. Sapete dove lavora il buono del nostro film? All’universita’ di Cambridge, quindi non un’istituzione da quattro soldi.

Cosa dire, c’e’ un buco nero che butta una nube di qualcosa di distruttivo, la nube sta arrivando sulla Terra e un astrofisico di un’importante universita’ se ne accorge. Detto questo, non resta altro da fare che pregare prima che la fine giunga sotto forma di nube spaziale.

Attenzione, forse, e dico forse, prima di pregare o lasciarsi prendere dal panico e’ il caso di leggere meglio la storia che gira sul web e che tanto sta facendo discutere.

Siamo proprio sicuri che questa storia sia verosimile?

Come potete immaginare, anche dal mio tono goliardico utilizzato fino a questo punto, la storia e’ una vera e propria bufala, tra l’altro anche orchestrata in modo pessimo.

Torniamo di nuovo seri e ragioniamo su quanto detto fino a questo punto.

Prima di tutto, c’e’ una nube esplusa da un buco nero o meglio dal buco nero al centro della nostra galassia. Di questo buco nero, anche noto come Sagitarius A, abbiamo parlato in dettaglio in questo articolo:

– Nexus 2012: bomba a orologeria

A parte che e’ un buco nero supermassivo e occupa la parte centrale della nostra Galassia, questo buco nero e’ solo un buco nero. Con questo intendo dire che il suo comportamento e’ molto ben descritto da quello che sappiamo su questa classe di oggetti celesti. Come visto in questo articolo:

– I buchi neri che … evaporano

secondo la teoria di Hawking i buchi neri possono evaporare, cioe’ emettere particelle verso l’esterno diminuendo nel corso del tempo la loro massa. Questo e’ un meccanismo noto e di cui abbiamo gia’ parlato in dettaglio. L’evaporazione e’ l’unico modo in cui una parte di materia esce all’esterno del buco nero, per definizione spazio in cui la materia viene assorbita a causa dell’elevatissima gravita’.

Perche’ dico questo?

Anche se fosse, un buco nero puo’ emettere radiazione all’esterno attraverso l’evaporazione, ma sempre di particelle ordinarie si tratta. Se anche, per assurdo, pensassimo che un qualcosa venisse emesso dal buco nero, sarebbe sempre qualcosa di materia ordinaria. E’ completamente assurdo pensare che questo qualcosa, ripeto fatto di materia ordinaria, se incontrasse la Terra la dissolverebbe nel nulla. Per tentare di giustificare questa affermazione, alcuni siti, come visto, inventano che questo qualcosa emesso dal buco nero sia antimateria. Come visto nell’articolo precedente sull’evaporazione, questa affermazione e’ assolutamente non giustificata.

Altra considerazione non da poco, il nostro Sagitarius A si trova ad una distanza stimata di circa 26000 anni luce dalla Terra. Ora, se un qualcosa venisse emesso dal buco nero in direzione della Terra, supponendo che questo qualcosa viaggi alla velocita’ della luce, allora servirebbero 26000 anni prima di arrivare a colpirci. Con 26000 anni di tempo, non credo sia il caso di preoccuparci.

Da dove nasce questa storia cosi’ assurda?

E’ interessante rispondere a questa domanda se non altro per capire come vengono create queste bufale che ormai quotidianamente ci offrono divertenti storielle da leggere online.

La bufale della nube emessa dal centro galattico verso la nostra Terra e’ in realta’ una storia vecchia gia’ di qualche anno. In rete si trova infatti un articolo del 2005 che parlava dell’osservazione di questa nube:

– Pravda.ru, nube dal centro galattico

Per chi non lo conoscesse, questo sito e’ assolutamente affidabile o meglio offre sempre una certezza: se leggete una notizia in rete e non sapete se sia vera o meno, controllate Pravda. ru. Se la stessa notizia la trovate anche qui, allora potete essere sicuri che si tratta di una bufala!

Perche’ proprio ora e’ stata ritirata fuori?

Anche per questo c’e’ una spiegazione. Gia’ da questa estate, si parlava dell’osservazione di una nube di gas che e’ passata in prossimita’ di Sagitarius A. Attenzione, qui parliamo di misure reali fatte da osservatori in orbita. A causa della fortissima gravita’ vicino al centro, la nube aveva mostrato dinamiche molto particolari che avevano permesso agli studiosi di poter capire alcuni importanti parametri del buco nero super massivo. Su youtube si trova anche un video pubblicato dall’INAF in cui si parla di questa osservazione:

Il diffondersi di questa notizia aveva ovviamente creato la distorsione di cui stiamo parlando, alimentata anche dal vecchio articolo bufala che gia’ girava in rete.

Prima di chiudere, proprio per non lasciare niente al caso, c’e’ ancora un altro punto  di cui parlare. Come visto, anche se ci sono varie vesioni della storia, tutte sono concordi sull’eroe buono pronto a diffondere la notizia al popolo, l’astrofisico Albert Shervinsky dell’universita’ di Cambridge.

Chi e’ costui?

Come nella migliore tradizione delle bufale, non esiste nessun astrofisico con questo nome, tantomeno all’universita’ di Cambridge.

Come verificare questo?

Semplice, andiamo a vedere nel sito dell’universita’ citata. Ci sono due dipartimenti papabili in cui potrebbe lavorare un astrofisico, uno e’ quello di fisica, l’altro e’ il dipartimento di astronomia. Bene, andiamo alle pagine corrispondenti in cui troviamo tutti i membri affiliati:

– Cambridge, dipartimento di Fisica

– Cambridge, dipartimento di Astronomia

Come mostrato, non esiste nessun astrofisico in questa universita’ con il nome citato nella notizia.

Concludendo, anche in questo caso si tratta della solita bufala o meglio del soito tentativo vano dei siti catastrofisti alla disperata ricerca di un qualcosa utile per sostituire l’ormai tramontato 21 Dicembre 2012. Come visto, la notizia di una nube sparata dal centro della galassia verso la Terra e’ solo la riproposizione di una vecchia bufala del 2005, ritirata fuori dopo le osservazioni in orbita su Sagitarius A. A parte queste osservazioni, tutto cio’ che e’ contenuto nella notizia e’ una libera produzione della fantasia di qualche buontempone.

 

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Dafne e KLOE: alte energie in Italia

In questi mesi, diversi lettori mi hanno chiesto di cosa mi occupassi precisamente. Come abbiamo imparato a conoscere attraverso alcuni articoli specifici, la fisica delle alte energie e’ molto vasta, con diversi esperimenti sparsi per il mondo. Nel mio caso specifico, ho partecipato e partecipo tutt’ora a diversi progetti in Italia, in Svizzera e negli Stati Uniti. Per darvi un’idea piu’ precisa, vorrei in questo articolo parlarvi di uno di questi progetti, KLOE, al quale sono per motivi affettivi piu’ legato, e che si trova ai Laboratori Nazionali di Frascati dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Perche’ sono affezionato a questo esperimento? Semplice, oltre a trovarsi nel paese in cui sono nato, cresciuto ed in cui tutt’ora vivo, proprio su questo esperimento ho iniziato la mia carriera di fisico nel 2003, prima con la tesi di laurea, poi con il dottorato di ricerca e su cui, ancora oggi, lavoro.

Prima di tutto, e’ necessario che vi dia qualche informazione aggiuntiva. Purtroppo, mentre tutti hanno sentito parlare di CERN e LHC, pochi sanno che anche in Italia si fanno studi importanti e molto sofisticati di fisica delle alte energie. I laboratori Nazionali di Frascati sono il piu’ grande laboratorio di Fisica delle alte energie dell’INFN. Sono stati fondati nel 1955 e proprio qui e’ nata la fisica degli acceleratori. Da un’intuizione di Bruno Touschek proprio a Frascati e’ stata realizzata AdA nel 1960. Cosa sarebbe Ada? Come sapete, nei moderni acceleratori quello che si fa e’ far girare fasci di particelle ad altissima energia per farli poi scontrare in un punto preciso. Da questo scontro, grazie alla relazione di Einstein E=mc^2, possiamo creare particelle diverse da studiare per comprendere importanti meccanismi della natura. Facendo aumentare l’energia, possiamo di volta in volta scoprire particelle nuove. Fino al 1960, quest’idea nemmeno esisteva. Grazie all’esperimento AdA, che sta per Anello di Accumulazione, venne dimostrato come fosse possibile impacchettare fasci di particelle, farle muovere su orbite circolari e poi farle scontrare in un punto deciso a priori. Grazie proprio ad AdA vennero compresi importanti effetti di fisica dei fasci, importanti ancora oggi, tra questi, ad esempio, il cosiddetto Effetto Touchek dovuto all’interazione delle particelle nello stesso pacchetto.

Dal punto di vista delle particelle, AdA non scopri’ nessuna particella nuova. Questo e’ naturale se vedete la foto:

AdA: anello di accumulazione

L’esperimento aveva un diametro di poco superiore al metro ed un’energia bassissima. Nonostante questo, AdA apri’ la strada ai futuri acceleratori. Subito dopo AdA, sempre a Frascati, si inizio’ a studiare qualcosa di piu’ grande, un vero e proprio collissore si particelle che oltre a far circolare i fasci, potesse accelerarli e curvarli. Nel 1967 venne dunque innaugurato Adone, che sta appunto per Big-AdA. Eccovi una foto di Adone:

Adone ai Laboratori Nazionali di Frascati

Si tratta di un anello vero e proprio, molto piu’ simile a quelli attuali, con un diametro inferiore ai 100 metri e che poteva raggiungere la folle energia per l’epoca di 3GeV, ottenuta facendo scontrare fasci di elettroni e positroni. Per fare un confronto, oggi LHC e’ stato progettato per avere un’energia di 14TeV, cioe’ 14000GeV. Adone e’ stato il primo acceleratore moderno della storia. Capite dunque che la fisica dei collissori e’ nata a Frascati, laboratorio con una grandissima tradizione in questo settore e che, ancora oggi, ricopre un ruolo importante nei laboratori di tutto il mondo.

Ora cosa si studia a Frascati? Oggi in questi laboratori ci sono tantissimi gruppi che si occupano di fisica nucleare, fisica delle alte energie, astrofisica, astroparticelle, fisica della materia, fisica medica. Tra questi settori, un ruolo fondamentale e’ ricorperto ancora oggi dala fisica degli acceleratori e dal progetto KLOE a Dafne.

Dafne, il collisore attualmente in funzione ai Laboratori di Frascati

Dafne e’ l’attuale collissore dei laboratori che ha preso i primi dati utili nel 2000. Si tratta di sistema costituito da due anelli, uno per elettroni ed uno per positroni, che vengono fatti scontrare ad un’energia di poco superiore ad 1GeV. Perche’ un’energia cosi’ bassa? Al contrario di LHC, che e’ un esperimento di scoperta, in cui dunque si deve raggiungere la massima energia possibile per creare nuove particelle, Dafne e’ una macchina di precisione. Questa categoria di anelli, lavorano ad un’energia ben precisa, calibrata per massimizzare la produzione di determinate particelle. Nel caso di Dafne, la macchina e’ una fabbrica di mesoni Phi, Phi-factory.

Di modello standard, materia strana, antimateria, ecc, abbiamo parlato in questi post:

– Piccolo approfondimento sulla materia strana

– Due parole sull’antimateria

– Antimateria sulla notra testa!

– Bosone di Higgs … ma che sarebbe?

– La materia oscura

Cosa sarebbe invece la Phi? Detto molto semplicemente, si tratta di una risonanza, cioe’ uno stato legato tra due quark (uno strange ed un anti-strange), che vive un tempo brevissimo dopo di che decade in qualche altra cosa. Tra i possibili canali di decadimento, tra i piu’ probabili ci sono quelli in coppie di Kaoni. Attenzione, il discorso sembra complicato, ma non lo e’. In fisica, ogni particella ha il suo nome. I kaoni sono soltanto una famiglia di particelle in cui rientrano diversi elementi: K carichi, K neutri, K lunghi, K corti, ecc.

Bene, a Dafne si vogliono studiare questi Kaoni e per produrli e’ necessario avere una macchina in grado di creare tantissime Phi. Perche’?

In questo articolo:

– E parliamo di questo Big Bang

abbiamo parlato del meccanismo del Big Bang, vedendo come in seguito a questa esplosione, si e’ verificato uno sbilancio tra materia ed antimateria, che ha portato alla scomparsa della seconda e alla formazione di un universo di materia. Se ben ricordate, abbiamo anche detto come, dal punto di vista teorico, questo meccanismo e’ teoricamente possibile supponendo che siano avvenute determinate condizioni, dette di Sacharov. Tra queste, vi e’ una violazione di CP, cioe’ proprio uno squilibrio tra materia ed antimateria che porta nei decadimenti a preferire stati finali piu’ ricchi di materia.

Cosa c’entrano i kaoni con la violazione di CP?

Nel 1974, decadimenti con violazione di CP venero osservati per la prima volta per un membro della famiglia dei Kaoni, il K long. Ad oggi, oltre che nei Kaoni, la violazione di CP e’ stata osservata anche nei mesoni B. Detto questo, capite bene l’importanza di questi studi. Comprendere a fondo la violazione di CP e le sue conseguenze, ci permette di capire meglio l’origine stessa dell’universo.

L’esperimento operante a Dafne e che studia proprio i decadimenti delle particelle e’ KLOE, un complesso sistema di rivelatori pensato per registrare ed osservare tutte le particelle che entrano nei vari decadimenti.

L’esperimento KLOE installato all’interno di Dafne

Attraverso i dati raccolti e’ possibile ricostruire l’intero evento e capire che tipologia di decadimento e’ avvenuto. Per fare questo sono necessari diversi rivelatori, ognuno specializzato per determinate particelle, pensati e realizzati in modo del tutto unico direttamente ai laboratori di Frascati.

Perche’ ancora oggi a distanza di anni KLOE e Dafne sono in funzione?

Vista la rarita’ dei decadimenti che si vogliono studiare, e’ necessario raccogliere un campione molto vasto di dati. Detto in altri termini, poiche’ la probabilita’ di avere il decadimento che cercate e’ molto bassa, dovete raccogliere un campione molto grande di Phi per poter avere la statistica necessaria a fare questi studi.

KLOE ha preso dati fino al 2006 raccogliendo un campione cospicuo di Phi. Oltre alla violazione di CP,  KLOE ha posto importanti limiti in tantissimi decadimenti, studiato la gravita’ quantistica, osservato per la prima volta decadimenti mai visti prima, ecc. Tutti risultati di prim’ordine che hanno dato lustro alla fisica delle alte energie in Italia.

Nel 2008 e’ stato poi pensato, sempre a Frascati, un nuovo meccanismo di collissione dei fasci che permetterebbe a KLOE di raggiungere “luminosita’” piu’ elevate, cioe’, modificando solo la zona di interazione dei fasci, si potrebbero accumulare molti piu’ dati a partita’ di tempo. Questa modifica e’ importantissima per un esperimento di precisione come KLOE che dunque potrebbe andare a studiare nuovi settori e migliorare notevolmente i canali gia’ studiati. Proprio per questo motivo, si e’ deciso di iniziare un nuovo periodo di presa dati per KLOE.

Cosa e’ successo tra il 2009 e il 2013?

In questo periodo di tempo, KLOE, costruito come detto un decennio prima, ha pensato di realizzare nuovi rivelatori da installare vicino alla zona di interazione, proprio per migliorare la sua sensibilita’ sfruttando idee nuove e le ultime migliorie pensate in questi anni. Questi nuovi dispositivi sono rivelatori molto complessi e compatti che hanno richiesto diversi anni prima di essere ottimizzati e realizzati. Prima di questa estate, i nuovi rivelatori sono stati installati con successo ed in questi giorni si sta lavorando per ottimizzare il tutto e prepararci alla nuova presa dati dell’esperimento KLOE, ora chiamato KLOE-2. L’accensione di tutto il sistema e’ prevista per il 9 settembre, giorno di inizio di una lunga presa dati che portera’ sicuramente a nuovi ed importanti studi.

Come potete capire, la fisica delle alte energie non e’ riservata al CERN. I fisici italiani, oltre ad avere ruoli importanti nei grandi laboratori del mondo, sono anche attivi nel nostro paese con esperimenti di precisione, importantissimi per capire come funziona il nostro universo.

 

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Antimateria sulla nostra testa!

Proprio oggi, su diversi siti catastrofisti e pseudoscientifici, e’ apparsa la notizia che il telescopio della NASA Fermi avrebbe individuato la produzione di antimateria durante i temporali. Stando a quanto si legge in rete, durante un temporale, i forti campi elettrici che si possono creare, sono in grado di trasformare l’aria in un plasma e produrre, grazie alle alte energie in gioco, antimateria sotto forma di positroni.

Ovviamente, non mancano ipotesi catastrofiste che richiamano la pericolosita’ dell’antimateria, oltre a puntare il dito contro questa sorgente posta solo a pochi kilometri dalle nostre teste. Su alcuni siti si ipotizza anche che potrebbe trattarsi di una modifica indotta del clima attraverso l’antimateria prodotta in questo modo. Se ci pensate, il collegamento e’ sempre il solito, l’uomo modifica il clima creando tempeste di fortissima intensita’, e mediante queste tempesta innesca la produzione dell’antimateria in atmosfera che sicuramente qualche effetto potrebbe darlo anche a noi che siamo subito sotto.

Inutile dirvi che in tutto questo discorso, che ripeto potete trovare su molti siti, si fa una gran confusione su argomenti scientifici ben noti e gia’ oggetto di studi da diversi anni.

Cerchiamo di capire meglio.

Prima di tutto, mi dispiace deludere tutti i fan di “Angeli e Demoni”, ma in questo fenomeno non viene prodotta antimateria, nel senso di antiatomi, ma solo antiparticelle, ed in particolare positroni, cioe’ anti-elettroni. Molto spesso, nell’immaginario colletivo, colpa anche dei tanti film fantascientifici, l’antimateria e’ vista come un qualcosa di molto pericoloso e che potrebbe addirittura essere usata per far scomparire la Terra. Di questi concetti abbiamo gia’ parlato in questi post:

– Piccolo approfondimento sulla materia strana

– Lotteria profetica 2012

– Due parole sull’antimateria

Come sappiamo, le antiparticelle vengono prodotte tutti i giorni nei nostri laboratori di fisica delle alte energie. Molti degli acceleratori presenti nel mondo lavorano facendo scontrare fasci di particelle con fasci di antiparticelle. Se prima non eravate a conoscenza di questa produzione artificiale, non penso che ora possiate credere che produrre antiparticelle possa distruggere la Terra.

Premesso questo, torniamo alla scoperta fatta dal telescopio Fermi e cerchiamo di capire di cosa si tratta.

Durante un temporale, i forti campi elettrici che si generano possono accelerare gli elettroni presenti nell’atmosfera portandoli a velocita’ prossima a quella della luce. Durante il loro percorso, gli elettroni possono interagire con gli atomi dell’aria e perdere una parte della loro energia emettendo un fotone. Fin qui e’ semplice, la causa di tutto e’ l’elettrone che viene accelerato dal campo elettrico ed emette fotoni. Bene, questi fotoni, interagendo anche loro con i nuclei presenti in atmosfera, possono scomparire producendo una coppia elettrone-antielettrone. Questi effetti sono del tutto noti in fisica e non rappresentano assolutamente una novita’.

Rivediamo tutto il processo, elettrone dell’atmosfera, accelerato dal campo elettrico dovuto al temporale, produce un fotone. Il fotone decade formando una coppia elettrone-antielettrone. Su internet trovate una confusione enorme su questi processi in cascata. Spesso si confondono le particelle o i meccanismi descritti tirando fuori ipotesi completamente impossibili dal punto di vista fisico.

Dunque, abbiamo una coppia elettrone-antielettrone, quindi particelle e antiparticelle. Quello che e’ successo in Fermi, e da cui siamo partiti con la notizia iniziale, e’ che il telescopio ha osservato questi antielettroni, anche detti positroni, prodotti attraverso il meccanismo descritto. Per essere precisi, Fermi ha osservato l’annichilamento dei positroni nel telescopio.

Questo processo e’ ben descritto in questa rappresentazione che altro non e’ che una simulazione condotta proprio dalla NASA per comprendere il fenomeno alla base:

Produzione di un TGF. Fonte: NASA

Ora, quello che in realta’ molti “dimenticano” di dire e’ che questo fenomeno non e’ stato osservato oggi da Fermi con grande stupore degli scienziati, ma e’ un processo che si conosceva e che anche questo telescopio aveva osservato a partire dal 2011.

Cerchiamo di capire meglio.

Questo genere di produzione di antielettroni avviene normalmente nello spazio in prossimita’ di buchi neri o di fenomeni di altissima energia cosmica. Nel 1994, qualche anno fa dunque, questo processo venne osservato per la prima volta nell’atmosfera terrestre, ad un’altezza tra 20 e 50Km, dalla NASA utilizzando il telescopio Compton. Il processo in atmosfera viene anche detto “Terrestrial Gamma Ray Flash”, TGF o TGRF.

Compton osservo ben 78 eventi di produzione di TGF nella nostra atmosfera durante tempeste tropicali.

Fermi ha gia’ osservato diversi TGF ed in piu’ ha scoperto che questi fenomeni possono avvenire anche a quote fino a 10Km. Dal momento che queste altezze comprendono i voli di linea, gia’ dal 2010 e’ stato formato un gruppo di ricerca congiunto tra INAF, ASI e ENAC, l’ente per la sicurezza in volo, per determinare gli eventuali rischi, sempre che sussistano, per i passeggeri dei voli di linea. Al momento, non e’ emersa nessuna pericolosita’ dei TGF.

Prima di chiudere, spendiamo due parole sul protagonista di questa notizia, cioe’ il telescopio Fermi.

Il telescopio e’ stato lanciato l’11 giugno 2008 e chiamato inizialmente GLAST, Telescopio Spaziale a Grande Area per Raggi gamma, e successivamente, il 26 Agosto 2008, ribattezzato Fermi Gamma Ray Space Telescope, in onore del nostro Enrico Fermi.

Raffigurazione del telescopio Fermi-GLAST in orbita

Questo telescopio ha la particolarita’ di essere dedicato all’osservazione dei raggi gamma, cioe’ ai fotoni di alta energia. L’osservazione di queste particelle e’ molto importante per l’identificazione di sorgenti gamma nella nostra galassia e fuori di questa, per lo studio dei cosiddetti Nuclei Galattici Attivi, per l’individuazione di Pulsar e resti di Supernove e per lo studio dei Gamma Ray burst, cioe’ l’emissione di raggi gamma da sorgenti energetiche, come descritto in precedenza.

Inoltre, lo studio dei fotoni nello spazio, puo’ aiutare nell’identificazione della materia oscura e per cercare di capire la natura di questa importante componente del nostro universo. Anche di materia oscura abbiamo parlato nei post riportati in precedenza dal momento che molto spesso anche questa viene chiamata in causa con assurdita’ scientifiche.

L’oosservazione dei TGF in Fermi e’ avvenuta proprio mentre il telescopio era interno a studiare l’universo lontano. I raggi gamma emessi da questo meccanismo raggiungono comunque i sensibili strumenti di Fermi che dunque e’ in grado di rivelarli con estrema precisione.

Concludendo, non c’e’ assolutamente nulla di allarmante nella scoperta della produzione di antiparticelle nell’atmosfera. Come visto, si tratta di un meccanismo ben compreso e che era gia’ conosciuto nella fisica. Per essere precisi, Fermi non ha assolutamente scoperto in questi giorni il fenomeno dei TGF, ma la loro prima osservazione risale al 1994 grazie al telescopio Compton. Fermi ha il pregio di poter studiare questi eventi con una risoluzione ed una precisione mai raggiunta prima ed inoltre, grazie proprio ai suoi strumenti, e’ stato possibile individuare questi fenomeni in strati piu’ bassi della nostra atmosfera, dove non si pensava potessero avvenire.

Anche in questo caso, l’informazione sulla rete presenta molti tratti catastrofisti del tutto ingiustificati, oltre ovviamente ad una sana componente di imprecisioni scientifiche a cui ormai dovremmo essere abituati.

 

 

”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

Due parole sull’antimateria

A pochissime ore dal tanto atteso 21/12, ci siamo divertiti a passare in rassegna le ultimissime catastrofi annunciate, mostrando la completa assurdita’ dal punto di vista scientifico.

In particolare, in questo post:

– Lotteria profetica 2012

abbiamo parlato del racconto del presunto Maya circa la possibilita’ che in un collisore di particelle venissero formate particelle in grado di innescare terremoti.

Questo racconto ci offre lo spunto per parlare di due aspetti della scienza molto importanti e spesso poco conosciuti dal grande pubblico: l’antimateria e gli acceleratori di particelle. In questo primo post, vorrei parlarvi appunto delle antiparticelle e dell’antimateria, argomenti che spesso offrono importanti spunti per scenari complottisti e per film di fantascienza, rimandando ad un successivo post la trattazione degli acceleratori di particelle.

Ovviamente cercheremo di dare un’infarinatura di base comprensibile a tutti, senza scendere in particolari troppo avanzati che rischierebbero di annoiarvi.

In questo post:

– Piccolo approfondimento sulla materia strana

abbiamo gia’ parlato di Modello Standard, mostrando come le particelle fondamentali, che altro non sono che i costituenti di tutto quello che vediamo o anche i responsabili delle interazioni, sono in realta’ in numero molto ridotto. Abbiamo in particolare diviso queste particelle in famiglie, parlando di leptoni, quark, neutrini e bosoni messaggeri.

Ora, come entrano in questo discorso le antiparticelle?

Particelle e antiparticelle: quarks e leptoni

Cerchiamo di prendere il discorso alla larga. Le particelle elementari, opportunamente combiate tra loro, formano la materia. Questo ci dovrebbe mettere sulla strada giusta. L’antimateria dunque sara’ ottenuta combinando in modo opportuno antiparticelle. Di nuovo, cosa sono le antiparticelle?

Nel modello standard, per ogni particella esiste una sua antiparticella. Quali sono le differenze tra una particella e la sua antiparticella?

Ciascuna particella e’ caratterizzata da quelli che vengono detti numeri quantici. Sicuramente tutti conoscono la carica elettrica. Bene, questo e’ il primo numero quantico, ma non il solo. Immaginate l’insieme dei numeri quantici come la carta d’identita’ delle particelle. Se volete descrivere una persona a qualcuno che non la conosce, cosa gli dite? E’ alto cosi’, ha i capelli di questo colore, carnagione cosi’, corporatura, ecc. Per descrivere una particella, si utilizzano i numeri quantici. Il set di numeri quantici utilizzato descrive completamente una particella.

Bene, senza scomodare tutti i numeri quantici, particella e corrispondente antiparticella hanno la stessa massa ma carica elettrica opposta. In alcuni casi, particella e antiparticella possono essere la stessa cosa, come nel caso del fotone in cui fotone e antifotone sono la stessa particella, molte volte invece si tratta di due entita’ distinte.

Se siamo giunti fino a questo punto, ormai la strada e’ in discesa.

Esistono le antiparticelle? Sono pericolose? Sono mai state osservate?

La antiparticelle sono una realta’ fisica. La prima osservazione avvenne nel 1932 quando Anderson trovo’ nei raggi cosmici gli antielettroni, anche detti positroni. Da li in avanti, molte altre particelle vennero osservate. Pensate che al giorno d’oggi le antiparticelle vengono prodotte tranquillamente nei nostri laboratori. Molti degli acceleratori nel mondo, fanno scontrare fasci di particelle con le corrispondenti antiparticelle. In questo senso, potete trovare collisori elettrone-positrone, protone-antiprotone, ecc.

Capito il discorso antiparticelle, torniamo a parlare di antimateria. Come detto sopra, se la materia e’ composta da particelle, l’antimateria sara’ composta da antiparticelle.

Facciamo un esempio molto semplice. Immaginate di voler realizzare un atomo di elio. In questo caso, basta prendere due neutroni e due protoni per fare il nucleo e due elettroni da mettere in rotazione. Se ora volessimo realizzare un atomo di antielio? Dobbiamo prendere due antiprotoni, due antineutroni e due positroni (come detto, antielettroni). In questo caso, invece di un atomo di materia ne avreste uno di antimateria.

Esiste l’antimateria?

Le antiparticelle possono essere osservate in natura come prodotti di decadimento di particelle o anche essere prodotte in laboratorio. Sempre in laboratorio, negli acceleratori, e’ stato possibile produrre antiatomi molto leggeri. La domanda dunque e’: in natura dove si trova l’antimateria?

La risposta in questo caso non e’ semplice. Secondo la teoria scientificamente piu’ probabile, nel big bang, l’antimateria e’ scomparsa lasciando il posto solo alla materia. Quest’ultima poi, secondo vari meccanismi, durante l’espansione ha poi formato le stelle, le galassie, i pianeti, ecc. Esistono teorie secondo le quali tracce di antimateria sarebbero ancora presenti da qualche parte. Nella nostra galassia non si e’ osservata antimateria.

Il perche’ di questo punto e’ facilmente comprensibile. Entrando in contatto, materia e antimateria danno luogo alla cosiddetta “annichilazione”, processo in cui particella e antiparticelle scompaiono producendo fotoni ed energia.

Ora, questo ragionamento vi fa capire varie cose. Tornando al discorso “lotteria profetica”, capite subito l’impossibilita’ di avere un pianeta di antimateria in rotta di collisione con le Terra.

Inoltre, capite bene anche un’altra cosa, cioe’ l’assurdita’ scientifica proposta dal film “Angeli e Demoni” in cui al CERN di Ginevra si producevano provette con dentro “antimateria”.

Concludendo, abbiamo finalmente capito cosa si intende parlando di antiparticelle e antimateria. Non c’e’ assolutamente nulla di sconvolgente nel parlare di questi argomenti. Capite bene come le ipotesi complottiste e catastrofiste create intorno a questi argomenti sono soltanto frutto di fantasie dettate da scenari fantascientifici o da qualcuno dotato di troppa fantasia.

 

 

”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.