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Charged Lepton Flavour Violation

6 Ott

Oggi vorrei mettere da parte UFO, complotti, scie chimiche, fine del mondo, ecc., per tornare a parlare di scienza pura. Lo vorrei fare con questo articolo spceifico, per trattare nuovamente lo stato attuale della ricerca e mostrarvi quali sono i settori più “caldi” e più promettenti nel panorama della fisica delle alte energie.

Per prima cosa, in diversi articoli abbiamo parlato di modello standard:

Dafne e KLOE: alta energia in Italia

E parliamo di questo Big Bang

Universo: foto da piccolo

Ascoltate finalmente le onde gravitazionali?

Il primo vagito dell’universo

L’espansione metrica dell’universo

Come abbiamo visto, il Modello Standard è quella teoria che oggi abbiamo definito e che consente di prevedere molte delle proprietà che osserviamo per le particelle. Vi ricordo che in fisica parliamo sempre di modello proprio per indicare un qualcosa in grado di prevedere le proprietà sperimentali.

Anche se poco conosciuto ai non addetti ai lavori, il Modello Standard è stato molto citato parlando del Bosone di Higgs. Come tutti sanno, il nostro modello, che ha resistito per decenni, presenta una particolare mancanza: non è in grado di prevedere l’esistenza della massa delle particelle. Come correggere questa grave imprecisione? Che le particelle abbiano massa è noto a tutti e facilmente dimostrabile anche guardando la materia che ci circonda. Bene, per poter correggere questo “errore” è possibile inserire quello che è noto come Meccanismo di Higgs, una correzione matematica che consente al modello standard di poter prevedere l’esistenza della massa. Bene, dunque ora è tutto OK? Assolutamente no, affinché il meccanismo di Higgs possa essere inserito è necessario che sia presente quello che viene chiamato un Campo di Higgs e, soprattutto, un bosone intermedio che, neanche a dirlo, si chiama Bosone di Higgs.

Capite dunque perchè la scoperta sperimentale del Bosone di Higgs è così importante?

Del bosone di Higgs, di LHC e delle sue conseguenze abbiamo parlato in questi articoli:

Bosone di Higgs … ma cosa sarebbe?

L’universo è stabile, instabile o meta-stabile?

Hawking e la fine del mondo

2012, fine del mondo e LHC

A questo punto si potrebbe pensare di aver raggiunto il traguardo finale e di aver compreso tutto. Purtroppo, o per fortuna a seconda dei punti di vista, questo non è assolutamente vero.

Perchè?

Come è noto a tutti, esistono alcuni problemi aperti nel campo della fisica e su cui si discute già da moltissimi anni, primo tra tutti quello della materia oscura. Il nostro amato Modello Standard non prevede assolutamente l’esistenza della materia oscura di cui abbiamo moltissime verifiche indirette. Solo per completezza, e senza ripetermi, vi ricordo che di materia e energia oscura abbiamo parlato in questi post:

La materia oscura

Materia oscura intorno alla Terra?

Flusso oscuro e grandi attrattori

Troppa antimateria nello spazio

Due parole sull’antimateria

Antimateria sulla notra testa!

L’esistenza della materia oscura, insieme ad altri problemi poco noti al grande pubblico, spingono i fisici a cercare quelli che vengono chiamati Segnali di Nuova Fisica, cioè decadimenti particolari, molto rari, in cui si possa evidenziare l’esistenza di particelle finora sconosciute e non contemplate nel modello standard delle particelle.

Per essere precisi, esistono moltissime teorie “oltre il modello standard” e di alcune di queste avrete già sentito parlare. La più nota è senza ombra di dubbio la Supersimmetria, o SuSy, teoria che prevede l’esistenza di una superparticella per ogni particella del modello standard. Secondo alcuni, proprio le superparticelle, che lasciatemi dire a dispetto del nome, e per non impressionarvi, non hanno alcun super potere, potrebbero essere le componenti principali della materia oscura.

Prima importante riflessione, la ricerca in fisica delle alte energie è tutt’altro che ad un punto morto. La scoperta, da confermare come detto negli articoli precedenti, del Bosone di Higgs rappresenta un importante tassello per la nostra comprensione dell’universo ma siamo ancora molto lontani, e forse mai ci arriveremo, dalla formulazione di una “teoria del tutto”.

Detto questo, quali sono le ricerche possibii per cercare di scoprire se esiste veramente una fisica oltre il modelo Standard delle particelle?

Detto molto semplicemente, si studiano alcuni fenomeni molto rari, cioè con bassa probabilità di avvenire, e si cerca di misurare una discrepanza significativa da quanto atteso dalle teorie tradizionali. Cosa significa? Come sapete, le particelle hanno una vita molto breve prima di decadere in qualcos’altro. I modi di decadimento di una data particella possono essere molteplici e non tutti avvengono con la stessa probabilità. Vi possono essere “canali”, cioè modi, di decadimento estremamente più rari di altri. Bene, alcuni di questi possono essere “viziati” dall’esistenza di particelle non convenzionali in grado di amplificare questo effetto o, addirittura, rendere possibili modi di decadimento non previsti dalla teoria convenzionale.

L’obiettivo della fisica delle alte energie è dunque quello di misurare con precisione estrema alcuni canali rari o impossibili, al fine di evidenziare segnali di nuova fisica.

Ovviamente, anche in questo caso, LHC rappresenta un’opportunità molto importante per questo tipo di ricerche. Un collisore di questo tipo, grazie alla enorme quantità di particelle prodotte, consente di poter misurare con precisione moltissimi parametri. Detto in altri termini, se volete misurare qualcosa di molto raro, dovete prima di tutto disporre di un campione di eventi molto abbondante dove provare a trovare quello che state cercando.

Un esempio concreto, di cui abbiamo parlato in questo post, è l’esperimento LhCB del CERN:

Ancora sullo squilibrio tra materia e antimateria

Una delle ricerche in corso ad LhCB è la misura del decadimento del Bs in una coppia di muoni. Niente paura, non voglio tediarvi con una noiosa spiegazione di fisica delle alte energie. Il Bs è un mesone composto da due quark e secondo il modello standard può decadere in una coppia di muoni con una certa probabilità, estremamente bassa. Eventuali discordanze tra la probabilità misurata di decadimento del Bs in due muoni e quella prevista dal modello standard potrebbe essere un chiaro segnale di nuova fisica, cioè di qualcosa oltre il modello standard in grado di modificare queste proprietà.

Misurare la probabilità di questo decadimento è qualcosa di estremamente difficile. Se da un lato avete una particella che decade in due muoni facilmente riconoscibili, identificare questo decadimento in mezzo a un mare di altre particelle è assai arduo e ha impegnato moltissimi fisici per diverso tempo.

Purtroppo, o per fortuna anche qui, gli ultimi risultati portati da LhCB, anche in collaborazione con CMS, hanno mostrato una probabilità di decadimento paragonabile a quella attesa dal modello standard. Questo però non esclude ancora nulla dal momento che con i nuovi dati di LHC sarà possibile aumentare ancora di più la precisione della misura e continuare a cercare effetti non previsti dalla teoria.

Tra gli altri esperimenti in corso in questa direzione, vorrei poi parlarvi di quelli per la ricerca della “violazione del numero Leptonico”. Perdonatemi il campanilismo, ma vi parlo di questi semplicemente perchè proprio a questo settore è dedicata una mia parte significativa di ricerca.

Cerchiamo di andare con ordine, mantenendo sempre un profilo molto divulgativo.

Come visto negli articoli precedenti, nel nostro modello standard, oltre ai bosoni intermedi, abbiamo una serie di particelle elementari divise in quark e leptoni. Tra questi ultimi troviamo: elettrone, muone, tau e i corrispondendi neutrini. Bene, come sapete esistono delle proprietà in fisica che devono conservarsi durante i decadimenti di cui abbiamo parlato prima. Per farvi un esempio noto a tutti, in un decadimento dobbiamo mantenere la carica elettrica delle particelle, se ho una particella carica positiva che decade in qualcosa, questo qualcosa deve avere, al netto, una carica positiva. La stessa cosa avviene per il numero leptonico, cioè per quella che possiamo definire come un’etichetta per ciascun leptone. In tal caso, ad esempio, un elettrone non può decadere in un muone perchè sarebbe violato, appunto, il numero leptonico.

Facciamo un respiro e manteniamo la calma, la parte più tecnica è già conclusa. Abbiamo capito che un decadimento in cui un leptone di un certo tipo, muone, elettrone o tau, si converte in un altro non è possibile. Avete già capito dove voglio andare a finire? Se questi decadimenti non sono possibili per la teoria attuale, andiamo a cercarli per verificare se esistono influenze da qualcosa non ancora contemplato.

In realtà, anche in questo caso, questi decadimenti non sono del tutto impossibili, ma sono, come per il Bs in due muoni, fortemente soppressi. Per farvi un esempio, l’esperimento Opera dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, misura proprio l’oscillazione dei neutrini cioè la conversione di un neutrino di un certo tipo in un altro. Ovviamente, appartendendo alla famiglia dei leptoni, anche i neutrini hanno un numero leptonico e una loro trasformazione da un tipo all’altro rappresenta una violazione del numero leptonico, quella che si chiama Neutral Lepton Flavour Violation. Per la precisione, questi decadimenti sono possibili dal momento che, anche se estremamente piccola, i neutrini hanno una massa.

Bene, la ricerca della violazione del numero Leptonico in particelle cariche, è uno dei filoni più promettenti della ricerca. In questo settore, troviamo due esperimenti principali che, con modalità diverse, hanno ricercato o ricercheranno questi eventi, MEG a Zurigo a Mu2e a Chicago.

Mentre MEG ha già raccolto molti dati, Mu2e entrerà in funzione a partire dal 2019. Come funzionano questi esperimenti? Detto molto semplicemente, si cercano eventi di conversione tra leptoni, eventi molto rari e dominati da tantissimi fondi, cioè segnali di dcadimenti più probabili che possono confondersi con il segnale cercato.

Secondo il modello standard, questi processi sono, come già discusso, fortemente soppressi cioè hanno una probabilità di avvenire molto bassa. Una misura della probabilità di decadimemto maggiore di quella attesa, sarebbe un chiaro segnale di nuova fisica. Detto questo, capite bene perchè si parla di questi esperimenti come probabili misure da nobel qualora i risultati fossero diversi da quelli attesi.

L’esperimento MEG ha già preso moltissimi dati ma, ad oggi, ha misurato valori ancora in linea con la teoria. Questo perchè la risoluzione dell’esperimento potrebbe non essere sufficiente per evidenziare segnali di nuova fisica.

A livelo tecnico, MEG e Mu2e cercano lo stesso effetto ma sfruttando canali di decadimento diverso. Mentre MEG, come il nome stesso suggerisce, cerca un decadimento di muone in elettrone più fotone, Mu2e cerca la conversione di muone in elettrone senza fotone ma nel campo di un nucleo.

Ad oggi, è in corso un lavoro molto specifico per la definizione dell’esperimento Mu2e e per la scelta finale dei rivelatori da utilizzare. Il gruppo italiano, di cui faccio parte, è impegnato in uno di questi rivelatori che prevede la costruzione di un calorimetro a cristallo che, speriamo, dovrebbe raggiungere risoluzioni molto spinte ed in grado di evidenziare, qualora presenti, eventuali segnali di nuova fisica.

Concludnedo, la ricerca nella fisica delle alte energie è tutt’altro che morta ed è sempre attiva su molti fronti. Come detto, molti sforzi sono attualmente in atto per la ricerca di segnali di nuova fisica o, come noi stessi li abbiamo definiti, oltre il modello standard. Detto questo, non resta che attendere i prossimi risultati per capire cosa dobbiamo aspettarci e, soprattutto, per capire quanto ancora poco conosciamo del mondo dell’infinitamente piccolo che però regola il nostro stesso universo.

 

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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L’espansione metrica dell’universo

8 Apr

In questo blog, abbiamo dedicato diversi articoli al nostro universo, alla sua storia, al suo destino, alla tipologia di materia o non materia di cui e’ formato, cercando, come e’ ovvio, ogni volta di mettere il tutto in una forma quanto piu’ possibile comprensibile e divulgativa. Per chi avesse perso questi articoli, o solo come semplice ripasso, vi riporto qualche link riassuntivo:

E parliamo di questo Big Bang

Il primo vagito dell’universo

Universo: foto da piccolo

La materia oscura

Materia oscura intorno alla Terra?

Due parole sull’antimateria

Flusso oscuro e grandi attrattori

Ascoltate finalmente le onde gravitazionali?

Come e’ ovvio, rendere questi concetti fruibili a fini divulgativi non e’ semplice. Per prima cosa, si deve evitare di mettere formule matematiche e, soprattutto, si deve sempre riflettere molto bene su ogni singola frase. Un concetto che potrebbe sembrare scontato e banale per un addetto ai lavori, potrebbe essere del tutto sconosciuto a chi, non avendo basi scientifiche solide, prova ad informarsi su argomenti di questo tipo.

Perche’ faccio questo preambolo?

Pochi giorni fa, un nostro lettore mi ha contatto via mail per chiedermi di spiegare meglio il discorso dell’espansione dell’universo. Per essere precisi, la domanda era relativa non all’espansione in se, ma a quella che viene appunto definita “espansione metrica” dell’universo. Cosa significa? Come visto varie volte, l’idea comunemente accettata e’ che l’universo sia nato da un Big Bang e durante questa espansione si sono prima formate le forze, il tempo, le particelle, poi i pianeti, le galassie e via dicendo. Ci sono prove di questo? Assolutamente si e ne abbiamo parlato, anche in questo caso, piu’ volte: la radiazione cosmica di fondo, lo spostamento verso il rosso delle galassie lontane, le conclusioni stesse portate dalla scoperta del bosone di Higgs e via dicendo. Dunque? Che significa espansione metrica dell’universo? In parole povere, noi diciamo che l’universo si sta espandendo, e che sta anche accelerando, ma come possiamo essere certi di questo? Che forma ha l’universo? Per quanto ancora si espandera’? Poi cosa succedera’? Sempre nella domanda iniziale, veniva posto anche un quesito molto interessante: ma se non fosse l’universo ad espandersi ma la materia a contrarsi? L’effetto sarebbe lo stesso perche’ la mutua distanza tra due corpi aumenterebbe nel tempo dando esattamente lo stesso effetto apparente che vediamo oggi.

Come potete capire, di domande ne abbiamo fin troppe a cui rispondere. Purtroppo, e lo dico in tutta sincerita’, rendere in forma divulgativa questi concetti non e’ molto semplice. Come potete verificare, raccontare a parole che il tutto sia nato da un Big Bang, che ci sia stata l’inflazione e si sia formata la radiazione di fondo e’ cosa abbastanza fattibile, parlare invece di forma dell’universo e metrica non e’ assolutamente semplice soprattutto senza poter citare formule matematiche che per essere comprese richiedono delle solide basi scientifiche su cui ragionare.

Cerchiamo dunque di andare con ordine e parlare dei vari quesiti aperti.

Come visto in altri articoli, si dice che il Big Bang non e’ avvenuto in un punto preciso ma ovunque e l’effetto dell’espansione e’ visibile perche’ ogni coppia di punti si allontana come se ciascun punto dell’universo fosse centro dell’espansione. Cosa significa? L’esempio classico che viene fatto e’ quello del palloncino su cui vengono disegnati dei punti:

Esempio del palloncino per spiegare l'espansione dell'universo

Esempio del palloncino per spiegare l’espansione dell’universo

Quando gonfiate il palloncino, i punti presenti sulla superficie si allontanano tra loro e questo e’ vero per qualsiasi coppia di punti. Se immaginiamo di essere su un punto della superficie, vedremo tutti gli altri punti che si allontanano da noi. Bene, questo e’ l’esempio del Big Bang.

Ci sono prove di questo? Assolutamente si. La presenza della CMB e’ proprio un’evidenza che ci sia stato un Big Bang iniziale. Poi c’e’ lo spostamento verso il rosso, come viene definito, delle galassie lontane. Cosa significa questo? Siamo sulla Terra e osserviamo le galassie lontane. La radiazione che ci arriva, non necessariamente con una lunghezza d’onda nel visibile, e’ caratteristica del corpo che la emette. Misurando questa radiazione ci accorgiamo pero’ che la frequenza, o la lunghezza d’onda, sono spostate verso il rosso, cioe’ la lunghezza d’onda e’ maggiore di quella che ci aspetteremmo. Perche’ avviene questo? Questo effetto e’ prodotto proprio dal fatto che la sorgente che emette la radiazione e’ in moto rispetto a noi e poiche’ lo spostamento e’ verso il rosso, questa sorgente si sta allontanando. A questo punto sorge pero’ un quesito molto semplice e comune a molti. Come sapete, per quanto grande rapportata alle nostre scale, la velocita’ della luce non e’ infinita ma ha un valore ben preciso. Questo significa che la radiazione emessa dal corpo lontano impiega un tempo non nullo per raggiungere la Terra. Come spesso si dice, quando osserviamo stelle lontane non guardiamo la stella come e’ oggi, ma come appariva quando la radiazione e’ stata emessa. Facciamo l’esempio classico e facile del Sole. La luce emessa dal Sole impiega 8 minuti per arrivare sulla Terra. Se noi guardiamo ora il Sole lo vediamo come era 8 minuti fa. Se, per assurdo, il sole dovesse scomparire improvvisamente da un momento all’altro, noi ce ne accorgeremmo dopo 8 minuti. Ora, se pensiamo ad una stella lontana 100 anni luce da noi, quella che vediamo e’ la stella non come e’ oggi, ma come era 100 anni fa. Tornando allo spostamento verso il rosso, poiche’ parliamo di galassie lontane, la radiazione che ci arriva e’ stata emessa moltissimo tempo fa. Domanda: osservando la luce notiamo uno spostamento verso il rosso ma questa luce e’ stata emessa, supponiamo, mille anni fa. Da quanto detto si potrebbe concludere che l’universo magari era in espansione 1000 anni fa, come da esempio, mentre oggi non lo e’ piu’. In realta’, non e’ cosi’. Lo spostamento verso il rosso avviene a causa del movimento odierno tra i corpi e dunque utilizzare galassie lontane ci consente di osservare fotoni che hanno viaggiato piu’ a lungo e da cui si ottengono misure piu’ precise. Dunque, da queste misure, l’universo e’ in espansione e’ lo e’ adesso. Queste misurazioni sono quelle che hanno portato Hubble a formulare la sua famosa legge da cui si e’ ricavata per la prima volta l’evidenza di un universo in espansione.

Bene, l’universo e’ in espansione, ma se ci pensate questo risultato e’ in apparente paradosso se pensiamo alla forza di gravita’. Perche’? Negli articoli precedentemente citati, abbiamo piu’ volte parlato della gravita’ citando la teoria della gravitazione universale di Newton. Come e’ noto, due masse poste a distanza r si attraggono con una forza che dipende dal prodotto delle masse ed e’ inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. Ora, nel nostro universo ci sono masse distribuite qui a la in modo piu’ o meno uniforme. Se pensiamo solo alla forza di gravita’, una coppia qualunque di queste masse si attrae e quindi le due masse tenderanno ad avvicinarsi. Se anche pensiamo ad una spinta iniziale data dal Big Bang, ad un certo punto questa spinta dovra’ terminare controbilanciata dalla somma delle forze di attrazione gravitazionale. In altre parole, non e’ possibile pensare ad un universo che si espande sempre se abbiamo solo forze attrattive che lo governano.

Questo problema ha angosciato l’esistenza di molti scienziati a partire dai primi anni del ‘900. Lo stesso Einstein, per cercare di risolvere questo problema dovette introdurre nella Relativita’ Generale quella che defini’ una costante cosmologica, a suo avviso, un artificio di calcolo che serviva per bilanciare in qualche modo l’attrazione gravitazionale. L’introduzione di questa costante venne definita dallo stesso Einstein il piu’ grande errore della sua vita. Oggi sappiamo che non e’ cosi’, e che la costante cosmologica e’ necessaria nelle equazioni non come artificio di calcolo ma, in ultima analisi, proprio per giustificare la presenza di componenti non barioniche, energia oscura in primis, che consentono di spiegare l’espansione dell’universo. Se vogliamo essere precisi, Einstein introdusse la costante non per avere un universo in espansione bensi’ un universo statico nel tempo. In altre parole, la sua costante serviva proprio a bilanciare esattamente l’attrazione e rendere il tutto fermo. Solo osservazioni successive, tra cui quella gia’ citata dello stesso Hubble, confermarono che l’universo non era assolutamente statico bensi’ in espansione.

Ora, a questo punto, potremmo decidere insieme di suicidarci dal punto di vista divulgativo e parlare della metrica dell’universo, di coordinate comoventi, ecc. Ma questo, ovviamente, implicherebbe fogli di calcoli e basi scientifiche non banali. Abbiamo le prove che l’universo e’ in espansione, dunque, ad esempio, guardando dalla Terra vediamo gli altri corpi che si allontanano da noi. Come si allontanano? O meglio, di nuovo, che forma avrebbe questo universo?

L’esempio del palloncino fatto prima per spiegare l’espansione dell’universo, e’ molto utile per far capire questi concetti, ma assolutamente fuoriviante se non ci si riflette abbstanza. Molto spesso, si confonde questo esempio affermando che l’universo sia rappresentato dall’intero palloncino compreso il suo volume interno. Questo e’ concettualmente sbagliato. Come detto in precedenza, i punti si trovano solo ed esclusivamente sulla superficie esterna del palloncino che rappresenta il nostro universo.

A complicare, o a confondere, ancora di piu’ le idee c’e’ l’esempio del pane con l’uvetta che viene usato per spiegare l’espansione dell’universo. Anche su wikipedia trovate questo esempio rappresentato con una bella animazione:

Esempio del pane dell'uvetta utilizzato per spiegare l'aumento della distanza tra i punti

Esempio del pane dell’uvetta utilizzato per spiegare l’aumento della distanza tra i punti

Come vedete, durante l’espansione la distanza tra i punti cresce perche’ i punti stessi, cioe’ i corpi presenti nell’universo, vengono trascinati dall’espansione. Tornado alla domanda iniziale da cui siamo partiti, potremmo penare che in realta’ lo spazio resti a volume costante e quello che diminuisce e’ il volume della materia. Il lettore che ci ha fatto la domanda, mi ha anche inviato una figura esplicativa per spiegare meglio il concetto:

Confronto tra il modello di aumento dello spazio e quello di restringimento della materia

Confronto tra il modello di aumento dello spazio e quello di restringimento della materia

Come vedete, pensando ad una contrazione della materia, avremmo esattamente lo stesso effetto con la distanza mutua tra i corpi che aumenta mentre il volume occupato dall’universo resta costante.

Ragioniamo pero’ su questo concetto. Come detto, a supporto dell’espansione dell’universo, abbiamo la legge di Hubble, e anche altre prove, che ci permettono di dire che l’universo si sta espandendo. In particolare, lo spostamento verso il rosso della radiazione emessa ci conferma che e’ aumentato lo spazio tra i corpi considerati, sorgente di radiazione e bersaglio. Inoltre, la presenza dell’energia oscura serve proprio a spiegare questa evoluzione dell’universo. Se la condizione fosse quella riportata nell’immagine, cioe’ con la materia che si contrae, non ci sarebbe lo spostamento verso il rosso, e anche quello che viene definito Modello Standard del Cosmo, di cui abbiamo verifiche sperimentali, non sarebbe utilizzabile.

Resta pero’ da capire, e ritorno nuovamente su questo punto, che forma dovrebbe avere il nostro universo. Non sto cercando di volta in volta di scappare a questa domanda, semplicemente, stiamo cercando di costruire delle basi, divulgative, che ci possano consentire di capire questi ulteriori concetti.

Come detto, parlando del palloncino, non dobbiamo fare l’errore di considerare tutto il volume, ma solo la sua superificie. In particolare, come si dice in fisica, per capire la forma dell’universo dobbiamo capire che tipo di geometria assegnare allo spazio-tempo. Purtroppo, come imparato a scuola, siamo abituati a pensare alla geometria Euclidea, cioe’ quella che viene costruita su una superifice piana. In altre parole, siamo abituati a pensare che la somma degli angoli interni di un traiangolo sia di 180 gradi. Questo pero’ e’ vero solo per un triangolo disegnato su un piano. Non e’ assolutamente detto a priori che il nostro universo abbia una geometria Euclidea, cioe’ che sia piano.

Cosa significa?

Come e’ possibile dimostrare, la forma dell’universo dipende dalla densita’ di materia in esso contenuta. Come visto in precedenza, dipende dunque, come e’ ovvio pensare, dall’intensita’ della forza di attrazione gravitazionale presente. In particolare possiamo definire 3 curvature possibili in funzione del rapporto tra la densita’ di materia e quella che viene definita “densita’ critica”, cioe’ la quantita’ di materia che a causa dell’attrazione sarebbe in grado di fermare l’espasione. Graficamente, le tre curvature possibili vengono rappresentate con tre forme ben distinte:

Curvature possibili per l'universo in base al rapporto tra densita' di materia e densita' critica

Curvature possibili per l’universo in base al rapporto tra densita’ di materia e densita’ critica

Cosa significa? Se il rapporto e’ minore di uno, cioe’ non c’e’ massa a sufficienza per fermare l’espansione, questa continuera’ per un tempo infinito senza arrestarsi. In questo caso si parla di spazio a forma di sella. Se invece la curvatura e’ positiva, cioe’ la massa presente e’ maggiore del valore critico, l’espansione e’ destinata ad arrestarsi e l’universo iniziera’ ad un certo punto a contrarsi arrivando ad un Big Crunch, opposto al Big Bang. In questo caso la geometria dell’universo e’ rappresentata dalla sfera. Se invece la densita’ di materia presente e’ esattamente identica alla densita’ critica, in questo caso abbiamo una superficie piatta, cioe’ Euclidea, e l’espansione si arrestera’ ma solo dopo un tempo infinito.

Come potete capire, la densita’ di materia contenuta nell’universo determina non solo la forma di quest’ultimo, ma anche il suo destino ultimo in termini di espansione o contrazione. Fate pero’ attenzione ad un altro aspetto importante e molto spesso dimenticato. Se misuriamo questo rapporto di densita’, sappiamo automaticamente che forma ha il nostro universo? E’ vero il discorso sul suo destino ultimo, ma le rappresentazioni grafiche mostrate sono solo esplicative e non rappresentanti la realta’.

Perche’?

Semplice, per disegnare queste superifici, ripeto utilizzate solo per mostrare graficamente le diverse forme, come si e’ proceduto? Si e’ presa una superficie bidimensionale, l’equivalente di un foglio, e lo si e’ piegato seguendo le indicazioni date dal valore del rapporto di densita’. In realta’, lo spazio tempo e’ quadrimensionale, cioe’ ha 3 dimensioni spaziali e una temporale. Come potete capire molto facilmente, e’ impossibile sia disegnare che immaginare una superificie in uno spazio a 4 dimensioni! Questo significa che le forme rappresentate sono esplicative per far capire le differenze di forma, ma non rappresentano assolutamnete la reale forma dell’universo dal momento che sono ottenute eliminando una coordinata spaziale.

Qual e’ oggi il valore di questo rapporto di densita’? Come e’ ovvio, questo valore deve essere estrapolato basandosi sui dati raccolti da misure osservative nello spazio. Dal momento che sarebbe impossibile “contare” tutta la materia, questi valori vengono utilizzati per estrapolare poi il numero di barioni prodotti nel Big Bang. I migliori valori ottenuti oggi danno rapporti che sembrerebbero a cavallo di 1 anche se con incertezze ancora troppo elevate per avere una risposta definitiva.

Concludendo, affrontare queste tematiche in chiave divulgativa non e’ assolutamente semplice. Per quanto possibile, e nel limite delle mie possibilita’, spero di essere riuscito a farvi capire prima di tutto quali sono le verifiche sperimentali di cui disponiamo oggi e che sostengono le teorie di cui tanto sentiamo parlare. Queste misure, dirette o indirette che siano, ci permettono di capire che il nostro universo e’ con buona probabilita’ nato da un Big Bang, che sta attualmente espandendosi e questa espansione, almeno allo stato attuale, e’ destinata a fermarsi solo dopo un tempo infinito. Sicuramente, qualunque sia il destino ultimo del nostro universo, questo avverra’ in un tempo assolutamente molto piu’ grande della scala umana e solo la ricerca e la continua osservazione del cosmo ci possono permettere di fare chiarezza un poco alla volta.

 

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

Flusso oscuro e grandi attrattori

28 Feb

Nella ormai celebre sezione:

Hai domande o dubbi?

in cui sono usciti fuori davvero gli argomenti piu’ disparati ma sempre contraddistinti da curiosita’ e voglia di discutere, una nostra cara lettrice ci ha chiesto maggiori lumi sul cosiddetto “dark flow” o flusso oscuro. Una richiesta del genere non puo’ che farci piacere, dal momento che ci permette di parlare nuovamente di scienza e, in particolare, di universo.

Prima di poterci addentrare in questo argomento scientifico ma, anche a livello di ricerca, poco conosciuto, e’ necessario fare una piccolissima premessa iniziale che serve per riprendere in mano concetti sicuramente conosciuti ma su cui spesso non si riflette abbastanza.

Per iniziare la discussione, voglio mostrarvi una foto:

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Quello che vedete non e’ un semplice libro, ma uno dei tre volumi che compongono il Philosophiae Naturalis Principia Mathematica o, tradotto in italiano, “I principi naturali della filosofia naturale”. Quest’opera e’ stata pubblicata il 5 luglio 1687 da Isaac Newton.

Perche’ e’ cosi’ importante questa opera?

Questi tre volumi sono considerati l trattato piu’ importante del pensiero scientifico. Prima di tutto, contengono la dinamica formulata da Newton che per primo ha posto le basi per lo studio delle cause del moto ma, soprattutto, perche’ contengono quella che oggi e’ nota come “Teoria della Gravitazione Universale”.

Sicuramente, tutti avrete sentito parlare della gravitazione di Newton riferita al famoso episodio della mela che si stacco’ dall’albero e cadde sulla testa del celebre scienziato. Come racconta la leggenda, da questo insignificante episodio, Newton capi’ l’esistenza della forza di gravita’ e da qui la sua estensione all’universo. Se vogliamo pero’ essere precisi, Newton non venne folgorato sulla via di Damasco dalla mela che cadeva, ma questo episodio fu quello che fece scattare la molla nella testa di un Newton che gia’ da tempo studiava questo tipo di interazioni.

Volendo essere brevi, la teoria della gravitazione di Newton afferma che nello spazio ogni punto materiale attrae ogni altro punto materiale con una forza che e’ proporzionale al prodotto delle loro masse e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. In soldoni, esiste una forza solo attrattiva che si esercita tra ogni coppia di corpi dotati di massa e questa interazione e’ tanto maggiore quanto piu’ grandi sono le masse e diminuisce con il quadrato della loro distanza.

Semplice? Direi proprio di si, sia dal punto di vista fisico che matematico. Perche’ allora chiamare questa legge addirittura con l’aggettivo “universale”?

Se prendete la male di Newton che cade dall’albero, la Luna che ruota intorno alla Terra, la Terra che ruota intorno al Sole, il sistema solare che ruota intorno al centro della Galassia, tutti questi fenomeni, che avvengono su scale completamente diverse, avvengono proprio grazie unicamente alla forza di gravita’. Credo che questo assunto sia sufficiente a far capire l’universalita’ di questa legge.

Bene, sulla base di questo, l’interazione che regola l’equilibrio delle masse nell’universo e’ dunque la forza di gravita’. Tutto quello che vediamo e’ solo una conseguenza della sovrapposizione delle singole forze che avvengono su ciascuna coppia di masse.

Detto questo, torniamo all’argomento principale del post. Cosa sarebbe il “flusso oscuro”? Detto molto semplicemente, si tratta del movimento a grande velocita’ di alcune galassie in una direzione ben precisa, situata tra le costellazioni del Centauro e della Vela. Questo movimento direzionale avviene con velocita’ dell’ordine di 900 Km al secondo e sembrerebbe tirare le galassie in un punto ben preciso al di fuori di quello che definiamo universo osservabile.

Aspettate, che significa che qualcosa tira le galassie fuori dall’universo osservabile?

Per prima cosa, dobbiamo definire cosa significa “universo osservabile”. Come sappiamo, l’universo si sta espandendo e se lo osserviamo da Terra siamo in grado di vedere le immagini che arrivano a noi grazie al moto dei fotoni che, anche se si muovono alla velocita’ della luce, si spostano impiegando un certo tempo per percorrere delle distanze precise. Se sommiamo questi due effetti, dalla nostra posizione di osservazione, cioe’ la Terra, possiamo vedere solo quello che e’ contenuto entro una sfera con un raggio di 93 miliardi anni luce. Come potete capire, l’effetto dell’espansione provoca un aumento di quello che possiamo osservare. Se l’universo ha 14.7 miliardi di anni, ci si potrebbe aspettare di poter vedere dalla terra la luce partita 14.7 miliardi di anni fa, cioe’ fino ad una distanza di 14.7 miliardi di anni luce. In realta’, come detto, il fatto che l’universo sia in continua espansione fa si che quello che vediamo oggi non si trova piu’ in quella posizione, ma si e’ spostato a causa dell’espansione. Altro aspetto importante, la definizione di sfera osservabile e’ vera per ogni punto dell’universo, non solo per quella sfera centrata sulla Terra che rappresenta cquello che noi possiamo vedere.

Bene, dunque si sarebbe osservato un flusso di alcune galassie verso un punto preciso fuori dall’universo osservabile. Proprio dal fatto che questo flusso e’ all’esterno del nostro universo osservabile, si e’ chiamato questo movimento con l’aggettivo oscuro.

Aspettate un attimo pero’, se le galassie sono tirate verso un punto ben preciso, cos’e’ che provoca questo movimento? Riprendendo l’introduzione sulla forza di gravitazione, se le galassie, che sono oggetti massivi, sono tirate verso un punto, significa che c’e’ una massa che sta esercitando una forza. Poiche’ la forza di gravitazione si esercita mutuamente tra i corpi, questo qualcosa deve anche essere molto massivo.

Prima di capire di cosa potrebbe trattarsi, e’ importante spiegare come questo flusso oscuro e’ stato individuato.

Secondo le teorie cosmologiche riconosciute, e come spesso si dice, l’universo sarebbe omogeneo e isotropo cioe’ sarebbe uguale in media in qualsiasi direzione lo guardiamo. Detto in altri termini, non esiste una direzione privilegiata, almeno su grandi scale, in cui ci sarebbero effetti diversi. Sempre su grandi scale, non esisterebbe neanche un movimento preciso verso una direzione ma l’isotropia produrrebbe moti casuali in tutte le direzioni.

Gia’ nel 1973 pero’, si osservo’ un movimento particolare di alcune galassie in una direzione precisa. In altri termini, un’anomalia nell’espansione uniforme dell’universo. In questo caso, il punto di attrazione e’ all’interno del nostro universo osservabile e localizzato in prossimita’ del cosiddetto “ammasso del Regolo”, una zona di spazio dominata da un’alta concentrazione di galassie vecchie e massive. Questa prima anomalia gravitazionale viene chiamata “Grande Attrattore”. In questa immagine si vede appunto una porzione di universo osservabile da Terra ed in basso a destra trovate l’indicazione del Grande Attrattore:

800px-2MASS_LSS_chart-NEW_Nasa

Questa prima anomalia dell’espansione venne osservata tramite quello che e’ definito lo spostamento verso il rosso. Cosa significa? Se osservate un oggetto che e’ in movimento, o meglio se esiste un movimento relativo tra l’osservatore e il bersaglio, la luce che arriva subisce uno spostamento della lunghezza d’onda dovuto al movimento stesso. Questo e’ dovuto all’effetto Doppler valido, ad esempio, anche per le onde sonore e di cui ci accorgiamo facilmente ascoltando il diverso suono di una sirena quando questa si avvicina o si allontana da noi.

220px-Redshift_blueshift.svg

Bene, tornando alle onde luminose, se la sorgente si allontana, si osserva uno spostamento verso lunghezze d’onda piu’ alte, redshift, se si avvicina la lunghezza d’onda diminuisce, blueshift. Mediate questo semplice effetto, si sono potuti osservare molti aspetti del nostro universo e soprattutto i movimenti che avvengono.

Tornando al grnde attrattore, questa zona massiva verso cui si osserva un moto coerente delle galassie del gruppo e’ localizzato a circa 250 milioni di anni luce da noi nella direzione delle costellazioni dell’Hydra e del Centauro e avrebbe una massa di circa 5×10^15 masse solari, cioe’ 5 milioni di miliardi di volte il nostro Sole. Questa, come anticipato, e’ soltanto una anomalia dell’espansione dell’universo che ha creato una zona piu’ massiva in cui c’e’ una concentrazione di galassie che, sempre grazie alla gravita’, attraggono quello che hanno intorno.

Discorso diverso e’ invece quello del Dark Flow. Perche’? Prima di tutto, come detto, questo centro di massa si trova talmente lontano da essere al di fuori del nostro universo osservabile. Visto da Terra poi, la zona di spazio che crea il flusso oscuro si trova piu’ o meno nella stessa direzione del Grande Attrattore, ma molto piu’ lontana. Se per il Grande Attrattore possiamo ipotizzare, detto in modo improprio, un grumo di massa nell’universo omogeneo, il flusso oscuro sembrerebbe generato da una massa molto piu’ grande ed in grado anche di attrarre a se lo stesso Grande Attrattore.

Il flusso oscuro venne osservato per la prima volta nel 2000 e descritto poi a partire dal 2008 mediante misure di precisione su galassie lontane. In questo caso, l’identificazione del flusso e’ stata possibile sfruttando il cosiddetto effetto Sunyaev-Zel’dovich cioe’ la modificazione della temperatura dei fotoni della radiazione cosmica di fondo provocata dai raggi X emessi dalle galassie che si spostano. Sembra complicato, ma non lo e’.

Di radiazione di fondo, o CMB, abbiamo parlato in questi articoli:

Il primo vagito dell’universo

E parliamo di questo Big Bang

Come visto, si tratta di una radiazione presente in tutto l’universo residuo del Big Bang iniziale. Bene, lo spostamento coerente delle galassie produce raggi X, questi raggi X disturbano i fotoni della radiazione di fondo e noi da terra osservando queste variazioni ricostruiamo mappe dei movimenti delle Galassie. Proprio grazie a queste misure, a partire dal 2000, e’ stato osservato per la prima volta questo movimento coerente verso un punto al di fuori dell’universo osservabile.

Cosa potrebbe provocare il Flusso Oscuro? Bella domanda, la risposta non la sappiamo proprio perche’ questo punto, se esiste, come discuteremo tra un po’, e’ al di fuori del nostro universo osservabile. Di ipotesi a riguardo ne sono ovviamente state fatte una miriade a partire gia’ dalle prime osservazioni.

Inizialmente si era ipotizzato che il movimento potrebbe essere causato da un ammasso di materia oscura o energia oscura. Concetti di cui abbiamo parlato in questi post:

La materia oscura

Materia oscura intorno alla Terra?

Se il vuoto non e’ vuoto

Universo: foto da piccolo

Queste ipotesi sono pero’ state rigettate perche’ non si osserva la presenza di materia oscura nella direzione del Dark Flow e, come gia’ discusso, per l’energia oscura il modello prevede una distribuzione uniforme in tutto l’universo.

Cosi’ come per il Grande Attrattore, si potrebbe trattare di un qualche ammasso molto massivo in una zona non osservabile da Terra. Sulla base di questo, qualcuno, non tra gli scienziati, aveva ipotizzato che questo effetto fosse dovuto ad un altro universo confinante con il nostro e che provoca l’attrazione. Questa ipotesi non e’ realistica perche’ prima di tutto, la gravitazione e’ frutto dello spazio tempo proprio del nostro universo. Se anche prendessimo in considerazione la teoria dei Multiversi, cioe’ universi confinanti, l’evoluzione di questi sarebbe completamente diversa. Il flusso oscuro provoca effetti gravitazionali propri del nostro universo e dovuti all’attrazione gravitazionale. Il fatto che sia fuori dalla nostra sfera osservabile e’ solo dovuto ai concetti citati in precedenza figli dell’accelerazione dell’espansione.

Prima di tutto pero’, siamo cosi’ sicuri che questo Flusso Oscuro esista veramente?

Come anticipato, non c’e’ assolutamente la certezza e gli scienziati sono ancora fortemente divisi non solo sulle ipotesi, ma sull’esistenza stessa del Flusso Oscuro.

Per farvi capire la diatriba in corso, questo e’ il link all’articolo originale con cui si ipotizzava l’esistenza del Flusso Oscuro:

Dark Flow

Subito dopo pero’, e’ stato pubblicato un altro articolo che criticava questo sostenendo che i metodi di misura applicati non erano corretti:

Wright risposta al Dark Flow

Dopo di che, una lunga serie di articoli, conferme e smentite, sono stati pubblicati da tantissimi cosmologi. Questo per mostrare quanto controversa sia l’esistenza o meno di questo flusso oscuro di Galassie verso un determinato punto dell’universo.

Venendo ai giorni nostri, nel 2013 e’ stato pubblicato un articolo di analisi degli ultimi dati raccolti dal telescopio Planck. In questo paper viene nuovamente smentita l’esistenza del dark flow sulla base delle misure delle velocita’ effettuate nella regione di spazio in esame:

Planck, 2013

Dunque? Dark Flow definitivamente archiviato? Neanche per sogno. Un altro gruppo di cosmologi ha pubblicato questo ulteriore articolo:

Smentita alla smentita

in cui attacca i metodi statistici utilizzati nel primo articolo e propone un’analisi diversa dei dati da cui si mostra l’assoluta compatibilita’ di questi dati con quelli di un altro satellite, WMAP, da cui venne evidenziata l’esistenza del dark flow.

Credo che a questo punto, sia chiaro a tutti la forte discussione ancora in corso sull’esistenza o meno di questo Dark Flow. Come potete capire, e’ importante prima di tutto continuare le analisi dei dati e determinare se questo flusso sia o meno una realta’ del nostro universo. Fatto questo, e se il movimento venisse confermato, allora potremmo fare delle ipotesi sulla natura di questo punto di attrazione molto massivo e cercare di capire di cosa potrebbe trattarsi. Ovviamente, sempre che venisse confermata la sua esistenza, stiamo ragionando su qualcosa talmente lontano da noi da essere al di fuori della nostra sfera osservabile. Trattare questo argomento ci ha permesso prima di tutto di aprire una finestra scientifica su un argomento di forte e continua attualita’ per la comunita’ scientifica. Come sappiamo, trattando argomenti di questo tipo, non troviamo risposte certe perche’ gli studi sono ancora in corso e, cosi’ come deve avvenire, ci sono discussioni tra gli scienziati che propongono ipotesi, le smentiscono, ne discutono, ecc, come la vera scienza deve essere. Qualora ci fossero ulteriori novita’ a riguardo, ne parleremo in un futuro articolo.

 

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

Materia oscura intorno alla Terra?

7 Gen

Come sapete, e’ sempre interessante leggere le notizie nelle sezioni di scienze di alcuni giornali, si trovano sempre delle chicche di tutto rispetto. Negli ultimi giorni, sono apparsi tantissimi articoli che parlano di una nuova sensazionale scoperta. Un ricercatore dell’universita’ del Texas, tale Ben Harris, avrebbe condotto una serie di misure utilizzando i satelliti delle costellazioni gps di Galileo e Glonass.

Se volete maggiori info sul gps, su come funziona e della scienza che c’e’ sotto, abbiamo pubblicato un articolo anche su questo:

Il sistema di posizionamento Galileo

Tornando alla notizia principale, cosa si sarebbe scoperto da queste misure: utilizzando i dati inviati dai satelliti negli ultimi 6 mesi, si sarebbe evidenziata un’anomalia del valore della massa della Terra rispetto a quella comunemente conosciuta. L’entita’ di questa differenza e’ tra lo 0,005 e lo 0,008% del valore noto.

Come si spiega questa differenza?

Dal momento che il moto dei satelliti e’ determinato dall’attrazione gravitazionale che il nostro pianeta esercita, in realta’ che anche i satelliti esercitano sulla Terra, questa differenza deve essere dovuta ad un’anomalia gravitazionale. Una delle spiegazioni date da Harris e’ che sia presente un disco di materia oscura intorno al nostro pianeta, tale da influenzare l’attrazione gravitazionale.

Di materia oscura abbiamo parlato in questo articolo:

La materia oscura

Poiche’, secondo le ipotesi, questa forma non convenzionale di energia esercitrebbe attrazione gravitazionale, la sua presenza influenzerebbe il moto dei satelliti falsando appunto la massa della Terra rispetto al valore conosciuto. Per essere precisi, dalle misure condotte, questo anello, posizionato intorno all’equatore terrestre, avrebbe uno spessore di 191 Km e una larghezza di ben 70000 Km.

Piccola parentesi, oltre ai tanti giornali, anche i siti catastrofisti hanno riportato la notizia, ovviamente a modo loro e aggiungendo dettagli inutili quanto inventati. Non manca certo chi sostiene che l’anello sia stato messo li da scienziati compiacenti o da extraterrestri che stanno iniziando la fase di conquista del nostro pianeta. Non credo sia il caso di ragionare su queste osservazioni che lasciano davvero il tempo che trovano.

Detto questo, ragioniamo un attimo sulla notizia, cercando di fare qualche considerazione aggiuntiva.

Come avrete notato, ho riportato, al contrario di molti giornali, tutta la notizia al condizionale. Non e’ assolutamente una licenza di stile, ma l’ho fatto perche’ quanto riportato non e’ assolutamente certo.

Vi spiego il perche’.

Come trovate in rete, le misure in questione sono state presentate da Harris nel corso del meeting annuale dell’unione geofisica americana, anche detta AGU. Ovviamente si tratta di misure reali e scientifiche, che pero’ vanno considerate come “preliminari”.

Permettetemi una considerazione statistica. Come detto, la differenza rispetto alla massa conosciuta e’ tra lo 0,005 e lo 0,008%. Ora, tra 0,005 e 0,008, la differenza non e’ assolutamente poca. In realta’, l’ampiezza di questo intervallo ci fa capire la precisione delle misure fatte. Per essere precisi, i due valori sono ottenuti utilizzando una volta la costellazione Glonass e un’altra quella Galileo. Il fatto che due misure indipendenti diano valori cosi’ diversi, non e’ assolutamente un dettaglio trascurabile.

Detto questo, durante la stessa riunione, dopo la presentazione dei risultati da parte di Harris, e’ stato evidenziato come le misure siano in realta’ falsate perche’ mancanti di correzioni molto importanti. Quali? Nella modellizzazione del moto dei satelliti, non sono state incluse le attrazioni da parte del Sole e della Luna. Inoltre, mancano da includere le correzioni dovute alla relativita’, assolutamente necessarie, come potete leggere nell’articolo sul sistema Galileo, per ottenere risultati veritieri.

La mancanza di queste correzioni, che potrebbero modificare sostanzialmente il risultato preliminare, fa si che i dati ottenuti siano del tutto preliminari. In questo stato, e’ assolutamente fuorviante e frettoloso fare conclusioni come quelle riportate in precedenza del disco di materia oscura.

Perche’ si e’ fatto questo?

Esistono varie risposte possibili. La prima, un po’ cattiva, e’ che si e’ voluto presentare un lavoro incompleto solo per attirare un po’ di attenzione. L’altra possibilita’ e’ che si sia voluta mostrare questa differenza rispetto al valore della massa conosciuta solo per ricevere commenti utili con cui correggere il tiro. Entrambe le risposte sono possibili. Molto spesso alle conferenze si presentano risultati preliminari solo per valutare la risposta della comunita’ scientifica di riferimento. Ultimamente pero’, si puo’ avere una fuga di notizie che porta ad articoli, come quelli sui nostri giornali, che puntano ala scoperta del secolo.

Concludendo, i dati ottenuti mostrano ovviamente una differenza della massa della Terra rispetto a quella nota. Questa discrepanza potrebbe essere dovuta ad un errore di calcolo, a correzioni molto importanti non ancora conteggiate o, anche, alla presenza di materia oscura intorno alla Terra. Personalmente, credo sia presto per parlare di quest’ultima ipotesi. Questa storia, e lo dico a malincuore, mi ricorda molto quella della velocita’ dei neutrini misurata ad Opera, poi smentita con la testa tra le gambe.

 

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Se il vuoto non e’ vuoto

12 Ago

Come nell’articolo precedente, anche in questo caso vorrei parlarvi di un argomento suggerito nella sezione:

Hai domande o dubbi?

Piccola premessa iniziale, il fatto di scrivere articoli “su commissione” e’ qualcosa che mi rende veramente fiero di questo spazio creato sul web. Avere cosi’ tante richieste, significa che le persone sono coinvolte nella discussione, si informano e poi chiedono di poter approfondire gli argomenti insieme sul blog. Questo non puo’ che rendermi felice!

Detto questo, passiamo invece all’argomento della discussione. Come potete leggere, la richiesta e’ apparentemente molto semplice, si chiede di analizzare il discorso circa l’energia di punto zero.

Che significa energia di punto zero?

Ve la metto in modo molto semplice, immaginiamo uno spazio vuoto. Per vuoto non intendo un qualcosa creato con una pompa con la quale portare fuori le particelle del mezzo, ma qualcosa di completamente vuoto. Bene, questo spazio completamente vuoto e senza particelle ha un’energia. Per dirla nella forma “scienza e spettacolo”: il vuoto non e’ vuoto.

Cosa significa?

Mi metto nei panni di un non addetto ai lavori che prova a cercare una spiegazione. Vi faccio questo breve excursus perche’ girando su internet si trovano cose alcquanto curiose. Se andate su wikipedia, ormai punto di riferimento per tante persone curiose che vogliono capire le cose, trovate scritto:

Dal principio di indeterminazione di Heisenberg deriva che il vuoto è permeato da un mare di fluttuazioni quantistiche che creano coppie di particelle e anti-particelle virtuali che si annichiliscono in un tempo inversamente proporzionale alla propria energia. Il contributo complessivo all’energia del vuoto risulta così mediamente diverso da zero e pari a

 \epsilon = \frac{h\nu}{2}

dove h è la costante di Planck e  \nu è la frequenza di un generico modo di vibrazione associabile alla lunghezza d’onda materiale delle particelle virtuali.

Che dire, mi sembra chiarissimo. Ovviamente, la mia e’ un’affermazione sarcastica. Quanto trovate non mi sembra assolutamente in una forma divulgativa comprensibile ai piu’.

Cerchiamo dunque di fare un po’ di chiarezza e di capire cosa significa la frase: il vuoto non e’ vuoto.

Come anticipato, immaginiamo di poter disporre di un vuoto, cioe’ di uno spazio in cui sono state eliminate tutte le particelle. Ovviamente, uno spazio di questo tipo e’ impossibile da creare. Se anche ci mettessimo nello spazio, ci sarebbe comunque una certa densita’ di particelle che “sporcherebbero” il nostro vuoto, non rendendolo piu’ tale.

Rimaniamo pero’ nell’ambito dell’immaginazione e costruiamo il nostro esperimento mentale.

In fisica, per poter trattare il vuoto, e’ necessario tenere conto di alcune leggi molto importanti che ci vengono date dalla quantistica. Tra queste c’e’ ovviamente il principio di indeterminazione di Heisenberg che molti conoscono. Detto in modo molto divulgativo, e’ impossibile conoscere con precisione assoluta la posizione e la velocita’ di una particella. In realta’, questo principio e’ scritto in forma di disuguaglianza, cioe’ all’aumentare della precisione nella determinazione di una grandezza, aumenta l’incertezza sulla misura dell’altra variabile.

Premesso questo, osservando il vuoto ad una scala molto grande, vedremmo qualcosa di stabile e fermo nel tempo. Andando pero’ a scale sempre piu’ piccole,dove se vogliamo la fisica quantistica detta le regole, vedremmo una situazione molto caotica con coppie di particelle e antiparticelle che vengono create e distrutte in continuazione. Piu’ l’energia delle particelle e’ alta, minore e’ il tempo in cui vivono.

Per farvi capire, immaginate di osservare il mare da un aereo a quota molto alta. Da questa posizione, vedreste il mare immobile sotto di voi, come se fosse dipinto su una tela. Se ora vi avvicinate verso il basso, man mano che scendete, comincereste ad osservare le onde, i movimenti dell’acqua, ecc. Arrivati ad una distanza molto piccola, potreste anche accorgervi che quella situazione cosi’ stabile vista dall’alto, nascondeva in realta’ un mare in tempesta.

Tornado al nostro vuoto quantistico, questa continua creazione di particelle impica dunque che il vuoto non e’ assolutamente vuoto. L’energia associata a questo stato, e’ proprio quella dovuta a queste particelle, o meglio alle onde a loro associate.

Possibile che questo continuo creare particelle non provochi effetti?

In realta’, gli effetti li provoca e come, e anche sotto diversi aspetti. Prima di tutto, se non esistesse l’energia di punto zero, il principio di indeterminazione potrebbe essere violato ponendo una singola particella nello spazio.

Per vedere invece un caso comprensibile a tutti, immaginate il nostro universo. Come sapete, il nostro universo e’ oggi in espansione come venne dimostrato per la prima volta da Hubble. Successivamente pero’, ci siamo accorti non solo che il nostro universo e’ in espansione, ma che sta anche accelerando rispetto al passato.

Come possiamo spiegare questo? Se il tutto dipendesse dal Big Bang, cioe’ il motore dell’espansione fosse il botto iniziale, ci si aspetterebbe un universo, forse anche in espansione, ma che pero’ sta diminuendo sempre di piu’ la sua spinta iniziale. In questa formulazione, sarebbe impossibile vedere un unverso che ad un certo punto accelera.

Questa apparente incongruenza viene appunto spiegata chiamando in causa l’energia del vuoto. Le particelle virtuali create nel vuoto, sono in relazione con l’energia oscura che provoca l’accelerazione che abbiamo misurato nell’espansione. Come sapete, dal punto di vista fisico, stiamo entrando in un terreno poco conosciuto. Parlare di energia oscura e’, allo stato attuale, ammettere grosse lacune nella nostra comprensione dei meccanismo dell’universo.

Esistono altre prove dell’esistenza dell’energia del vuoto?

Ovviamente si! La prova piu’ immediata a sostegno dell’esistenza dell’energia del vuoto e’ stata la dimostrazione dell’effetto Casimir.

Cerchiamo di spiegare in modo semplice di cosa si tratta.

Effetto Casimir: a causa delle fluttuazioni del vuoto si crea una forza di attrazione tra le lastre

Effetto Casimir: a causa delle fluttuazioni del vuoto si crea una forza di attrazione tra le lastre

Immaginate di porre due lastre metalliche piane e parallele ad una distanza molto piccola tra loro, dell’ordine dei micron o meno. Questo sistema viene posizionato in una regione di spazio in cui e’ stato creato il vuoto assoluto. Ora, come visto, in questa condizione si creeranno comunque tantissime coppie particella-antiparticella generate nel vuoto. Come anticipato, esiste pero’ il dualismo particella-onda, per cui ad ogni particella possiamo attribuire uno stato ondulatorio. Detto in altri termini, per ciascuna particella, ci sono casi in cui si comportera’ come una particella, altri come un’onda.

Benissimo. Guardate la figura a lato. Le coppie di particelle si produrranno ovunque, nella zona esterna, cosi’ come tra le lastre. Ora pero’, in virtu’ del dualismo particella onda, nello spazio interno avremmo a disposizione solo pochi micron di spazio. Questo significa che tra le lastre potremmo avere solo particelle con lunghezza d’onda molto piccola. Dal momento che l’energia di una particella e’ direttamente proporzionale alla sua lunghezza d’onda, l’energia generata tra le lastre e’ inferiore a quella sviluppata all’esterno. Effetto netto di questo squilibrio sara’ una forza che tende ad avvicinare tra loro le piastre.

Fantastico. E’ mai stato dimostrato questo effetto? Assolutamente si. La prima prova venne tentata nei laboratori Philips nel 1958 ma i risultati, anche se non escludevano la presenza dell’effetto Casimir, erano inficiati da errori sperimentali troppo grandi. Per una verifica diretta di questo effetto, si dovette aspettare fino al 1997 quando nell’universita’ di Washington venne dimostrato l’effetto Casimir utilizzando superfici sferiche in luogo di quelle piane. Questa soluzione venne adottata per eliminare i problemi di allineamento tra le piastre.

La dimostrazione dell’effetto cosi’ come ipotizzato da Casimir, cioe’ con lastre piane e parallele, arrivo’ solo nel 2001 quando nell’universita’ di Padova si pote’ realizzare un allineamento submicrometrico con risonatori.

Concludendo, se andiamo a scale molto piccole, la meccanica quantistica ci predice uno stato di vuoto densamente popolato da coppie di particelle e antiparticelle che continuamente vengono create e distrutte. Il tempo in cui ciascuna particella vive e’ inversamente proporzionale alla sua energia. In questa condizione, le coppie prodotte contribuiscono ad un livello non nullo di energia del vuoto. Effetti indiretti dell’energia del vuoto arrivano, tra l’altro, dell’espansione accelerata dell’universo, riconducibile all’esistenza di un’energia oscura. Oltre a questo, una dimostrazione pratica dell’esistenza dell’energia del vuoto arriva dall’effetto Casimir. In questo caso, non solo si dimostra l’esistenza di coppie di particelle virtuali, ma si evidenzia anche come queste particelle possano dare effetti tangibili.

 

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Lampi Radio dall’universo lontano

8 Lug

Come sapete bene, scopo principale di questo blog e’ quello di divulgare la scienza. A questo proposito, diverse volte ci siamo trovati a parlare di recentissime scoperte di cui, al momento, non si sa ancora nulla. Scopo della ricerca e’ anche questo. Molto spesso, i modelli teorici formulati danno indicazioni precise dove cercare cose nuove. Molte altre volte invece, magari per caso, ci si trava di fronte a scoperte del tutto inattese e che richiedono un notevole sforzo perche’ vanno a minare le conoscenze o le supposizioni fatte fino a quel momento.

Perche’ faccio questa introduzione?

Solo pochi giorni fa, e’ stato pubblicato un articolo su Science molto interessante, riguardante il nostro universo. Come sappiamo bene, le nostre attuali conoscenze sono ancora molto lontane dall’essere complete. Questo e’ del tutto normale se pensiamo che stiamo osservando l’universo principalmente dalla nostra Terra basandoci su osservazioni indirette o comunuque molto lontane dalle sorgenti.

La ricerca di cui sto parlando, a cui hanno partecipato anche diversi ricercatori italiani, riguarda l’osservazione, del tutto inattesa, di segnali radio provenienti da distanze cosmologiche. Questi eventi sono gia’ stati ribattezzati FRB, cioe’ “fast radio burst”, tradotto “lampi radio veloci”.

Di cosa si tratta?

Parlando come sempre di teorie catastrofiste, solo poche settimane fa avevamo parlato della WR104, sfruttando in realta’ questa notizia per parlare di Gamma Ray Burst, cioe’ Lampi di Raggi Gamma:

WR104, un fucile puntato verso di noi

Mentre in questo caso si parlava di lampi di radiazione gamma, gli FRB sono invece lampi a frequenza nelle onde radio. Come anticipato, si tratta di segnali la cui origine e’ stata approssimativamente indicata a distanze cosmologiche. Ad oggi, sono stati osservati solo 4 FRB la cui emissione e’ avvenuta tra 5.5 e 10 miliardi di anni luce da noi. Considerando che il nostro universo ha un’eta’ stiamata di circa 14 miliardi di anni, questi lampi sono stati emessi in media quando l’universo aveva all’incirca la meta’ della sua attuale eta’.

Come e’ avvenuta questa scoperta?

Come e’ facile immaginare, il primo FRB e’ stato osservato qualche anno fa e inizialmente si pensava fosse dovuto ad un errore strumentale. Successivamente poi, utilizzando il radiotelescopio australiano CSIRO Parkes da 64 metri, si e’ riusciti ad identificare altri tre eventi.

Perche’ e’ cosi’ difficile registrare gli FRB?

Il problema principale di questi eventi e’, come dice il nome stesso, il segnale molto corto, dell’ordine dei millisecondi. Si tratta dunque di eventi estremamente potenti ma che vengono emessi in tempi molto corti, proprio come un’esplosione che avviene ad onde radio. In realta’, come stimato da calcoli teorici, gli FRB dovrebbero essere tutt’altro che rari nel nostro universo. I 4 eventi osservati sono stati visti in una porzione estremamente ridotta di cielo. Facendo un calcolo statistico, si e’ visto che in realta’ ci dovrebbe essere un evento di questo tipo da qualche parte ogni 10 secondi. Dunque, con una frequenza molto elevata. Il fatto di averli osservati solo ora, se vogliamo, dipende da una questione di fortuna. Trattandosi di eventi cosi’ rapidi, e’ necessario che il radiotelescopio sia puntato proprio nella direzione della sorgente per poter osservare il segnale.

Come si e’ identificato il punto di origine?

In realta’, come anticipato, le distanze sono da considerarsi come una stima. Le onde radio, propagandosi nell’universo, subiscono modificazioni dovute al passaggio attraverso la materia. Detto questo, e’ possibile stimare una distanza di origine appunto osservando in dettaglio lo spettro dei segnali.

Per capire questo concetto, si deve pensare che quando queste onde si propagano verso la Terra dal punto in cui sono emesse, passano nel mezzo intergalattico, cioe’ in quelle regioni di gas e polveri che separano tra loro due Galassie. Bene, attrevarsando queste regioni, principalmente popolate di elettroni, le onde radio ne escono di volta in volta sparpagliate. Osservando lo spettro che arriva a Terra, in particolare proprio questo sparpagliamento, e’ possibile capire quanto mezzo intergalattico e’ stato attraversato e duqnue la distanza della Terra dall’origine del lampo radio. Perche’ diciamo che la distanza e’ solo una stima? Come intuibile, in questa tecnica si fa una stima delle particelle del mezzo intergalattico. Ovviamente non si tratta di supposizioni a caso, ma sono numeri basati su osservazioni dirette e indirette. In questo caso pero’, l’incertezza sulla distanza e’ proprio dovuta all’incertezza con cui si conosce il mezzo intergalattico. Molto piu’ preciso e’ invece il metodo per misurare distanza e velocita’ di una stella classica, come visto in questo post:

Come misurare distanza e velocita’ di una stella

Chi ha prodotto gli FRB?

Come anticpato, e come e’ facile immaginare, questa e’ la domanda a cui si dovra’ dare una risposta. Quando abbiamo parlato di GRB, lo abbiamo fatto partendo da una stella Wolf Rayet che sappiamo essere in grado di produrre questi eventi. Per quando riguarda invece gli FRB, essendo tra l’altro del tutto inaspettati, non e’ ancora stato possibile capire la loro origine. Ovviamente, esistono delle ipotesi fatte per spiegare questi eventi. Alcuni astronomi puntano il dito contro le magnetar, cioe’ stelle di neutroni con campi magnetici molto elevati, in grado di emettere violenti lampi elettromagnetici di raggi X e gamma. Solo pochi giorni fa, e’ stato pubblicato un altro articolo che tenta invece di spiegare gli FRB analizzando il comportamento teorico delle stelle di neutroni supermassive. Questo e’ il link all’articolo per chi volesse approfondire:

FRB, Super Massive Neutron Stars

Ovviamente, si tratta di tutte ipotesi che chiamano in causa corpi astronomici in cui la materia si trova in condizioni molto particolari, perche’ sottoposta a pressione gravitazionale intensa, rapida rotazione o campi magnetici molto elevati. In condizioni normali, non ci sarebbero emissioni di onde radio.

Ovviamente, non potevano certo mancare le ipotesi fantascientifiche circa l’origine di questi segnali. Sulla falsa riga del segnale WOW!:

Il segnale WOW!

c’e chi ha proposto che l’origine del segnale radio sia una lontana civilta’ intelligente che sta cercando di comunicare con noi o anche che siano segnali di avvertimento provenienti da altri mondi su qualcosa che potrebbe accadere. Senza commentare ulteriormente su queste ipotesi, lasciatemi solo fare un’osservazione. I 4 segnali evidenziati finora provengono da punti distanti ben 5 miliardi di anni luce tra loro. Detto questo, mi sembra assurdo pensare che ci sia un popolo che si diverte a spostarsi cosi’ tanto nel nostro universo. Ovviamente, queste ipotesi nascono sulla rete, sono divertenti da leggere, ma non apportano nessuna informazione utili ai fini della ricerca sugli FRB.

A questo punto, non resta dunque che continuare a studiare il fenomeno per cercare di accumulare maggiore statistica, cioe’ nuovi eventi. Questa e’ ovviamente una condizione necessaria per poter verificare le ipotesi fatte o anche per formularne di nuove. Come visto nelle teorie attuali, per alcuni casi, le onde radio dovrebbero essere accompagnate da emissioni di raggi X e gamma. In tal senso, lo studio congiunto dei segnali utilizzando radiotelescopi e strumenti sensibili a queste radiazioni consentirebbe proprio di poter osservare l’emissione congiunta di questi eventi. In questa nuova caccia che si e’ aperta, il radiotelescopio italiano Sardinia, dal punto di vista costruttivo gemello di quello australiano, e che sta entrando nella fase operativa in questo periodo, potra’ dare un notevole contributo.

Studiare eventi di questo tipo ci consente prima di tutto di capire meglio come e’ fatto il nostro universo, evidenziando fenomeni che prima si ignoravano o comportamenti anomali di oggetti celesti conosciuti. Inoltre, alla luce di quanto detto sull’interazione delle onde radio con lo spazio attraversato, l’analisi degli FRB potrebbe consentirci di ottenere nuove informazioni sulla composizione del nostro universo, fornendo nuovo materiale sulle componenti oscure o di antimateria di cui abbiamo parlato in questi post:

La materia oscura

Due parole sull’antimateria

Antimateria sulla notra testa!

Universo: foto da piccolo

Troppa antimateria nello spazio

Concludendo, l’articolo pubblicato solo pochi giorni fa ha evidenziato un fenomeno del tutto inatteso e nuovo nel cosmo. Lo studio degli FRB e’ appena iniziato e vedra’ come protagonista anche un telescopio nostrano gestito dall’INAF. Le informazioni ricavate in questa ricerca potrebbero essere molto utili anche per capire meglio l’origine e la composzione del nostro universo. Come diciamo sempre, ci sono ancora tantissime cose da scoprire. Evidenze come questa ci fanno capire quanto lavoro c’e’ ancora da fare.

 

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IceCube e l’esplorazione del cosmo con i neutrini

22 Mag

Nell’articolo precedente, abbiamo parlato di neutrini:

EniGma con Nadir Mura

come visto nell’intervista, e come sicuramente ricorderete, queste particelle sono balzate agli onori delle cronache soprattutto a seguito della misura, poi trovata affetta da errori strumentali, che voleva i neutrini viaggiare ad una velocita’ superiore a quella della luce.

Ora, vorrei tornare nuovamente a parlare di queste particelle, a causa di una nuova misura fisica che sta facendo molto discutere.

Come sappiamo bene, i neutrini sono particelle molto particolari soprattutto a cusa della loro bassa probabilita’ di interazione con la materia, che li rende difficilmente rivelabili. Fino a pochi ani fa, si pensava addirittura che i neutrini non avessero massa, cosa smentita poi grazie alla ricerca e all’osservazione dell’oscillazione dei neutrini, cioe’ della proprieta’ di queste particelle di trasformarsi durante il cammino da una famiglia all’altra.

Proprio a causa di queste proprieta’ cosi’ particolari, i neutrini vengono studiati in diversi esperimenti e, molto spesso, in condizioni quasi estreme. Come detto, la bassa probabilita’ di osservazione, impone agli esperimenti di eliminare all’origine tutto il “rumore” da altre fonti, cioe’ quanto piu’ possibile, ogni altro evento prodotto da particelle diverse e che rischierebbe di coprire, a cuasa della maggiore probabilita’, i neutrini da rivelare.

Proprio per qusto motivo, si sente spesso parlare di rivelatori disposti in angoli remoti del mondo, all’interno delle miniere, sotto kilometri di roccia come nei laboratoridel Gran Sasso o anche immersi ad elevate profondita’ nel mare. Il motivo di questo e’, come anticipato, avere uno schermo naturale in grado di fermare le altre particelle lascinado passare i neutrini. Questi ultimi, a causa della bassa probabilita’ di interazione, passano con molta facilita’ kilometri di materiale senza interagire con la materia.

Posizionamento di uno dei rivelatori di IceCube nel ghiaccio

Posizionamento di uno dei rivelatori di IceCube nel ghiaccio

Dopo questa doverosa introduzione, vorrei parlarvi di IceCube, uno dei maggiori rivelatori di neutrini, costruito addirittura sotto i ghiacci dell’Antartide. IceCube e’ composto da un elevato numero di elementi sensibili, sepolti ad ua profondita’ variabile tra 1500 e 2500 metri di ghiaccio. La matrice cosi’ ottenuta consente di avere una superficie da rivelare dell’odine di 1 kilometro cubo.

Perche’ sto parlando di neutrini ed in particolare di IceCube?

Scopo di questi esperimenti e’ quello di studiare i neutrini provenienti dal sole o dai raggi cosmici, anche per rivelare nuove sorgenti astrofisiche. Il motivo di questo e’ molto semplice: studire le emissioni di neutrini da parte di oggetti nell’universo, consente di ottenere una sorta di telescopio con queste particelle e dunnque poter analizzare, anche in questo modo, lo spazio che ci circonda.

Bene, l’anno scorso, quasi per caso, IceCube ha individuato due neutrini con l’energia piu’ alta mai registrata sulla Terra, dell’ordine del petaelettronvolt. Per capire quanto sia elevata questa energia, basti pensare che LHC, il grande collisore del CERN, fa scontrare particelle con energia di 3.5 teraelettronvolt, cioe’ circa 300 volte inferiore a quella osservata da ICeCube. Durante l’analisi dei dati condotta per studiare questi eventi particolari, ci si e’ accorti che tra il 2010 e il 2012, il rivelatore avrebbe visto 26 eventi di alta energia, circa 10 volte quella di LHC.

Perche’ sono importanti questi eventi? Nel nostro sistema solare, l’unica sorgente di neutrini presente e’ il Sole. Questi pero, avendo energia molto piu’ bassa, non possono aver generato quanto osservato dai fisici di IceCube. Come potete capire, si tratta, con ottima probabilita’, di una sorgente extragalattica, non ancora identificata.

Dai modelli elaborati, le sorgenti di neutrini nello spazio potrebbero essere le esplosioni di Supernovae, i gamma ray burst o i quasar. Nell’idea, come anticipato, di realizzare un telescopio a neutrini dell’universo, molto interessante sarebbe individuare questa sorgente. Purtroppo, ad oggi, questo non e’ stato ancora possibile, soprattutto a causa dei pochi eventi raccolti all’esperimento.

Anche se manca la spiegazione ufficiale, possaimo provare a formulare ipotesi circa l’origine di questi eventi, soprattutto per capire l’importanza di questo risultato.

Dei gamma ray burst abbiamo parlato in questo post:

WR104: un fucile puntato verso la Terra?

Ccome visto, la conoscenza di questi eventi, ma soprattutto, eventualmente, il poter studiare il loro comportamento diretto, ci permetterebbe di aumentare la nostra conoscenza dell’universo e, perche’ no, magari in futuro farci confermare o smentire idee catastrofiste.

In passato, precisamente nel 1987, sulla Terra arrivarono, ad esempio, i neutrini prodotti da una supernova molto distante nella Nube di Magellano. Anche in questo caso, eventi come quelli delle esplosioni di supernovae ci consentono di comprendere meglio importanti meccanismi alla base dell’universo.

Altre ipotesi formulate riguardano invece la materia oscura, di cui abbiamo parlato in questi post:

La materia oscura

Troppa antimateria nello spazio

Come visto, ad oggi, ci accorgiamo della presenza di materia oscura mediante considerazioni indirette. Purtroppo, non e’ stato ancora possibile individuare questa curiosa forma di materia, anche se molte ipotesi sono state formulate. Proprio l’astrofisica a neutrini potrebbe aiutare a sciogliere qualche riserva. Secondo alcune ipotesi infatti, i neutrini potrebbero essere stati prodotti dallo scontro di materia oscura nel centro della nostra Galassia. In questo caso, studiare in dettaglio i parametri dei candidati, aiuterebbe molto ad individuare la sorgente di produzione dei neutrini ma anche, e soprattutto, di ottenere maggiori informazioni sull’origine della Via Lattea e sulla natura della meteria oscura.

Concludendo, IceCube ha individuato 26 neutrini di alta energia che hanno attraversato i suoi rivelatori. Statisticamente, la probabilita’ che si tratti di un errore e’ inferiore  allo 0,004% per cui sara’ interessante analizzare i dati e capire meglio quali test organizzare nel futuro per cercare di risolvere importanti dubbi che ormai da troppo tempo sono in attesa di una spiegazione ufficiale.

 

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

Il primo vagito dell’universo che nasce

8 Apr

Come sappiamo, e come abbiamo visto in altri post, allo stato attuale della nostra conoscenza, l’universo che vediamo intorno a noi si e’ formato da un Big Bang, cioe’ da quella che comunemente assumiamo come un’enorme esplosione. Sempre basandoci sulle informazioni e sulle ipotesi accettate, prima del Big Bang, materia e antimateria convivano insieme. Ad un certo punto, sempre rimanendo nel campo delle ipotesi, sono intervenute delle condizioni particolari, note come “condizioni di Sakharov”, per cui il sistema e’ divenuto instabile. Nella seguente esplosione l’antimateria e’ scomparsa lasciando il posto alla materia che espandendosi, e dunque raffreddandosi, ha poi formato le galassie, le stelle i pianeti e tutto cio’ che vediamo oggi.

Questo che potrebbe apparire come un quadro molto chiaro e’ ben compreso, non deve assolutamente farci credere di aver capito tutto. Come visto in questi post:

La materia oscura

Troppa antimateria nello spazio

ancora molto poco sappiamo della costituzione del nostro universo. Solo il 5% della materia che lo compone e’ in realta’ identica a quella barionica che forma quello che ci circonda. Anche le suddette condizioni di Sakharov sono solo delle ipotesi circa l’origine dell’universo, attualmente sotto studio, ma su cui ancora molto resta da scoprire e verificare.

Premesso questo, solo qualche giorno fa, abbiamo parlato del Big Bang e della Radiazione Cosmica di Fondo, in questo articolo:

Universo: foto da piccolo

Come visto, la CMB, cioe’ quel fondo costante a 2.7K che riempie il nostro universo, e’ proprio una delle prove a sostegno dell’ipotesi del Big Bang. Il telescopio Plank e’ riuscito a riprendere una mappa dell’universo, quando questo aveva soltanto 360000 anni. Prima di questo limite, la radiazione di fondo non esisteva perche’ i fotoni erano intrappolati all’interno di questo plasma di elettroni e protoni non combinati che impedivano alla radizione di uscire verso l’esterno.

Solo un paio di giorni fa, cioe’ subito dopo l’uscita dei risultati di Planck, un fisico dell’universita’ di Washington, ha provato a ricostruire il suono prodotto dal Big Bang, proprio utilizzando i dati di Planck.

Fate attenzione, questo e’ quello che molti giornali hanno scritto, tra un attimo cercheremo di capire meglio cosa significa “ascoltare” il Big Bang.

Come detto all’inizio, nell’immaginario collettivo, il Big Bang viene visto come un’enorme esplosione da cui tutto si e’ originato. Bene, siete pronti “al botto”? Allora vi riporto il link in cui ascoltare la “tremenda” esplosione del Big Bang:

Il suono del Big Bang

Sentito che “botta”? Siete rimasti delusi? Vi aspettavate un esplosione?

Come avete sentito, si tratta di un sibilo continuo che lentamente scende verso frequenze piu’ basse.

La domanda interessante, e su cui molti dei giornali non hanno dato risposta, e’ invece: “ma che significa suono del big bang?”.

Come detto, questo suono sarebbe stato ottenuto prendendo i dati della radiazione di fondo. Come ormai sappiamo, si tratta di una radiazione elettromagnetica, certamente non di un’onda sonora. E allora?

Per definizione, per propagarsi un suono ha bisogno di un mezzo. Quando noi parliamo, semplicemente creiamo delle compressione e rarefazioni dell’aria intorno a noi, che mettono in vibrazione gli ossicini delle orecchie e quindi i suoni vengono ascoltati. E nel caso del Big Bang? In questo caso, il mezzo sarebbe l’interno baby universo, ancora molto compatto, che veniva messo in una sorta di “vibrazione” dalla radiazione che non poteva neanche fuoriuscire verso l’esterno.

Per ottenere il suono che abbiamo ascoltato, i fisici di Washington hanno utilizzato le diverse mappe ipotizzate per la CMB partendo proprio dagli ultimi risultati del telescopio Planck. Queste mappe sono state caricate su un software chiamato Mathematica e sono state trasormate in suoni. Per fare questo, le mappe della CMB sono state convertite in rumori, in realta’ neanche udibili. Per ottenere il suono che abbiamo ascoltato e’ stato necessario amplificare il rumore della CMB di un fattore 10 elevato alla 26, cioe’ 10 seguito da 25 zeri. Certamente un numero enorme e poco manipolabile dai non addetti ai lavori.

Nonostante questo enorme fattore di amplificazione, i 100 secondi di suono che abbiamo ascoltato sono relativi solo ad un periodo tra 380000 e 760000 anni dopo il Big Bang. Come detto, prima di questo limite, la radiazione non poteva uscire e dunque non c’era un vero e proprio suono. Dopo 760000 anni invece, l’universo cominciava ad essere talmente rarefatto che il suono assumeva frequenze sempre piu’ basse. Questo spiega anche il perche’, andando avanti con la registrazione, il suono diventa sempre piu’ grave.

Concludendo, personalmente trovo questo esperimento molto carino. Se vogliamo essere precisi, non stiamo parlando del vero rumore prodotto dal Big Bang per i motivi elencati prima. Nonostante questo, e’ molto affascinante la trasposizione fatta tra CMB e onde sonore, che ci permette, almeno in parte, di capire come e’ avvenuto il Big Bang. Detto questo, da oggi in poi, forse non penseremo piu’ al Big Bang come ad una semplice esplosione.

 

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

Troppa antimateria nello spazio

5 Apr

Uno dei misteri che da sempre affascina i non addetti ai lavori e che spinge avanti la ricerca scientifica di base e’ la comprensione del nostro universo. In particolare, come sapete, ad oggi sappiamo veramente molto poco su cosa costituisce il nostro universo. Cosa significa questo? Dalle misure affettuate, solo una piccola frazione, intorno al 5%, e’ composta da materia barionica, cioe’ di quella stessa materia che compone il nostro corpo e tutti gli oggetti che ci circondano. La restante frazione e’ composta da quelli che spesso sentiamo chiamare contributi oscuri, materia oscura ed energia oscura. Mentre sulla materia oscura ci sono delle ipotesi, anche se ancora da verificare, sull’energia oscura, responsanbile dell’espansione dell’universo, sappiamo ancora molto poco.

Detto questo, la comprensione di questi contributi e’ una sfida tutt’ora aperta ed estremamente interessante per la ricerca scientifica.

Di questi argomenti, abbiamo parlato in dettaglio in questo post:

La materia oscura

Perche’ torno nuovamente su questo argomento? Solo un paio di giorni fa, e’ stata fatta una conferenza al CERN di Ginevra nella quale sono stati presentati i dati preliminari dell’esperimento AMS-02. I dati di questo rivelatore, realizzato con un’ampia collaborazione italiana, sono veramente eccezionali e potrebbero dare una spinta in avanti molto importante nella comprensione della materia oscura.

Andiamo con ordine.

Cosa sarebbe AMS-02?

AMS installato sulla Stazione Spaziale

AMS installato sulla Stazione Spaziale

AMS sta per Alpha Magnetic Spectrometer, ed e’ un rivelatore installato sulla Stazione Spaziale Internazionale. Compito di AMS-02 e’ quello di rivelare con estrema precisione le particelle dei raggi cosmici per cercare di distinguere prima di tutto la natura delle particelle ma anche per mettere in relazione queste ultime con la materia ordinaria, la materia oscura, la materia strana, ecc.

In particolare, lo spettrometro di AMS e’ estremamente preciso nel distinguere particelle di materia da quelle di antimateria e soprattutto elettroni da positroni, cioe’ elettroni dalle rispettive antiparticelle.

Vi ricordo che di modello standard, di antimateria e di materia strana abbiamo parlato in dettaglio in questi post:

Piccolo approfondimento sulla materia strana

Due parole sull’antimateria

Antimateria sulla notra testa!

Bosone di Higgs … ma che sarebbe?

Bene, fin qui tutto chiaro. Ora, cosa hanno di particolarmente speciale i dati di AMS-02?

Numero di positroni misurato da AMS verso energia

Numero di positroni misurato da AMS verso energia

Utilizzando i dati raccolti nei primi 18 mesi di vita, si e’ evidenziato un eccesso di positroni ad alta energia. Detto in parole semplici, dai modelli per la materia ordinaria, il numero di queste particelle dovrebbe diminuire all’aumentare della loro energia. Al contrario, come vedete nel grafico riportato, dai dati di AMS-02 il numero di positroni aumenta ad alta energia fino a raggiungere una livello costante.

Cosa significa questo? Perche’ e’  cosi’ importante?

Come detto, dai modelli della fisica ci si aspettarebbe che il numero di positroni diminuisse, invece si trova un aumento all’aumentare dell’energia. Poiche’ i modelli ordinari sono corretti, significa che ci deve essere qualche ulteriore sorgente di positroni che ne aumenta il numero rivelato da AMS-02.

Quali potrebbero essere queste sorgenti non considerate?

La prima ipotesi e’ che ci sia una qualche pulsar relativamente in prossimita’. Questi corpi possono emettere antiparticelle “sballando” di fatto il conteggio del rivelatore. Questa ipotesi sembrerebbe pero’ non veritiera dal momento che l’aumento di positroni e’ stato rivelato in qualsiasi direzione. Cerchiamo di capire meglio. Se ci fosse una pulsar che produce positroni, allora dovremmo avere delle direzioni spaziali in cui si vede l’aumento (quando puntiamo il rivelatore in direzione della pulsar) ed altre in cui invece, seguendo i modelli tradizionali, il numero diminuisce all’aumentare dell’energia. Come detto, l’aumento del numero di positroni si osserva in tutte le direzioni dello spazio.

Quale potrebbe essere allora la spiegazione?

Come potete immaginare, una delle ipotesi piu’ gettonate e’ quella della materia oscura. Come anticipato, esistono diverse ipotesi circa la natua di questa materia. Tra queste, alcune teorie vorrebbero la materia oscura come composta da particelle debolmente interagenti tra loro e con la materia ordinaria ma dotate di una massa. In questo scenario, particelle di materia oscura potrebbero interagire tra loro producendo nello scontro materia ordinaria, anche sotto forma di antimateria, dunque di positroni.

In questo scenario, i positroni in eccesso rivelati da AMS-02 sarebbero proprio prodotti dell’annichilazione, per dirlo in termini fisici, di materia oscura. Capite dunque che questi dati e la loro comprensione potrebbero farci comprendere maggiormente la vera natura della materia oscura e fissare i paletti su un ulteriore 20% della materia che costituisce il nostro universo.

Dal momento che la materia oscura permea tutto l’universo, questa ipotesi sarebbe anche compatibile con l’aumento dei positroni in tutte le direzioni.

Ora, come anticipato, siamo di fronte ai dati dei primi 18 mesi di missione. Ovviamente, sara’ necessario acquisire ancora molti altri dati per disporre di un campione maggiore e fare tutte le analisi necessarie per meglio comprendere questa evidenza. In particolare, i precisi rivelatori di AMS-02 consentiranno di identificare o meno una sorgente localizzata per i positroni in eccesso, confermando o escludendo la presenza di pulsar a discapito dell’ipotesi materia oscura.

Per completezza, spendiamo ancora qualche parola su questo tipo di ricerca e sull’importanza di questi risultati.

Come detto in precedenza, per poter confermare le ipotesi fatte, sara’ necessario prendere ancora molti dati. Ad oggi, AMS-02 potra’ raccogliere dati ancora per almeno 10 anni. Come anticipato, questo strumento e’ installato sulla Stazione Spaziale Internazionale. Questa scelta, piuttosto che quella di metterlo in orbita su un satellite dedicato, nasce proprio dall’idea di raccogliere dati per lungo tempo. La potenza richiesta per far funzionare AMS-02 consentirebbe un funzionamento di soli 3 anni su un satellite, mentre sulla ISS il periodo di raccolta dati puo’ arrivare anche a 10-15 anni.

AMS-02 e’ stato lanciato nel 2010 sullo Shuttle dopo diversi anni di conferme e ripensamenti, principalmente dovuti agli alti costi del progetto e alla politica degli Stati Uniti per le missioni spaziali.

Perche’ si chiama AMS-02? Il 02 indica semplicemente che prima c’e’ stato un AMS-01. In questo caso, si e’ trattato di una versione semplificata del rivelatore che ha volato nello spazio a bordo dello shuttle Discovery. Questo breve viaggio ha consentito prima di tutto di capire la funzionalita’ del rivelatore nello spazio e di dare poi la conferma definitiva, almeno dal punto di vista scientifico, alla missione.

Confronto tra AMS e missioni precedenti

Confronto tra AMS e missioni precedenti

Il risultato mostrato da AMS-02 in realta’ conferma quello ottenuto anche da altre due importanti missioni nello spazio, PAMELA e FERMI. Anche in questi casi venne rivelato un eccesso di positroni nei raggi cosmici ma la minore precisione degli strumenti non consenti’ di affermare con sicurezza l’aumento a discapito di fluttuazioni statistiche dei dati. Nel grafico a lato, vedete il confronto tra i dati di AMS e quelli degli esperimento precedenti. Come vedete, le bande di errore, cioe’ l’incertezza sui punti misurati, e’ molto maggiore negli esperimenti precedenti. Detto in termini semplici, AMS-02 e’ in grado di affermare con sicurezza che c’e’ un eccesso di positroni, mentre negli altri casi l’effetto poteva essere dovuto ad incertezze sperimentali.

Concludendo, i risultati di AMS-02 sono davvero eccezionali e mostrano, con estrema precisione, un aumento di positroni ad alta energia rispetto ai modelli teorici attesi. Alla luce di quanto detto, questo eccesso potrebbe essere dovuto all’annichilazione di particelle di materia oscura nel nostro universo. Questi risultati potebbero dunque portare un balzo in avanti nella comprensione del nostro universo e sulla sua composizione. Non resta che attendere nuovi dati e vedere quali conferme e novita’ potra’ mostrare questo potente rivelatore costruito con ampio contributo italiano.

 

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Bosone di Higgs … ma che sarebbe?

25 Mar

In tanti mi avete chiesto informazioni circa la scoperta del bosone di Higgs. Come sapete bene, negli ultimi mesi, molto si e’ parlato di questa probabile scoperta, dando ampio spazio su giornali e telegiornali al CERN, all’acceleratore LHC e agli esperimenti principali, Atlas e CMS, che hanno lavorato alla ricerca di questa particella.

La scoperta, ripeto probabile come vedremo in seguito, del bosone di Higgs e’ stata fondamentale per la fisica e per la nostra conoscenza della materia e, lasciatemelo dire, mi ha riempito di gioia avendo lavorato per circa quattro anni alla costruzione proprio dell’esperimento Atlas.

Quello che pero’ molti mi chiedono e’: si parla tanto di questo bosone di Higgs, tutti ne parlano dicendo che e’ “quello che spiega la massa delle particelle”, ma, in soldoni, di cosa si tratta? Perche’ spiegherebbe la massa delle particelle?

Purtroppo le domande sono ben poste, dal momento che spesso, girando per la rete, non si trovano risposte semplicissime a questi quesiti. Cerchiamo dunque, per quanto possibile, di rispondere a queste domande, mantenendo sempre un profilo divulgativo e accessibile a tutti.

Detto nel linguaggio della fisica, la spiegazione sarebbe piu’ o meno questa:

L’universo e’ permeato da un campo a spin zero, detto campo di Higgs, doppietto in SU(2) e con ipercarica U(1), ma privo di colore. I bosoni di gauge e i fermioni interagiscono con questo campo acquisendo massa.

Chiaro? Ovviamente no.

Cerchiamo di capirci qualcosa di piu’.

In questi post:

Piccolo approfondimento sulla materia strana

Due parole sull’antimateria

Abbiamo parlato del “Modello Standard” delle particelle. Come visto, la materia ordinaria, anche se apparentemente sembrerebbe molto variegata, e’ in realta’ composta di pochi ingredienti fondamentali: i quark, i leptoni e i bosoni messaggeri. Niente di difficile, andiamo con ordine.

Le particelle del Modello Standard

Le particelle del Modello Standard

Protoni e neutroni, ad esempio, non sono particelle fondamentali, ma sono composti da 3 quark. Tra i leptoni, sicuramente il piu’ conosciuto e’ l’elettrone, quello che orbita intorno ai nuclei per formare gli atomi. E i bosoni messaggeri? In fisica esistono delle interazioni, chiamiamole anche forze, che sono: la forza gravitazionale, la forza elettromagnetica, la forza forte e la forza debole. La forza forte, ad esempio, che viene scambiata mediante gluoni, e’ quella che tiene insieme i quark nelle particelle. Il fotone invece e’ quello che trasporta la forza elettromagnetica, responsabile, in ultima analisi, delle interazioni chimiche e delle forze meccaniche che osserviamo tutti i giorni.

Bene, fin qui sembra tutto semplice. L’insieme di queste particelle forma il Modello Standard. Ci sono gli ingredienti per formare tutte le particelle ordinarie e ci sono i bosoni messaggeri che ci permettono di capire le forze che avvengono. Dunque? Con il Modello Standard abbiamo capito tutto? Assolutamente no.

Il Modello Standard funziona molto bene, ma presenta un problema molto importante. Nella trattazione vista, non e’ possibile inserire la massa delle particelle. Se non c’e’ la massa, non c’e’ peso. Se un pezzo di ferro e’ composto di atomi di ferro e se gli atomi di ferro sono fatti di elettroni, protoni e neutroni, le particelle “devono” avere massa.

Dunque? Basta inserire la massa nel modello standard. Facile a dirsi ma non a farsi. Se aggiungiamo a mano la massa nelle equazioni del modello standard, le equazioni non funzionano piu’. I fisici amano dire che l’invarianza di Gauge non e’ rispettata, ma e’ solo un modo complicato per spiegare che le equazioni non funzionano piu’.

Se non possiamo inserire la massa, e noi sappiamo che la massa c’e’ perche’ la testiamo tutti i giorni, il modello standard non puo’ essere utilizzato.

A risolvere il problema ci ha pensato Peter Higgs negli anni ’60. Ora la spiegazione di Higgs e’ quella che ho riportato sopra, ma cerchiamo di capirla in modo semplice. Supponiamo che effettivamente le particelle non abbiano massa. Hanno carica elettrica, spin, momento angolare, ma non hanno massa intrinseca. L’universo e’ pero’ permeato da un campo, vedetelo come una sorta di gelatina, che e’ ovunque. Quando le particelle passano attraverso questa gelatina, vengono frenate, ognuna in modo diverso. Proprio questo frenamento sarebbe responsabile della massa che le particelle acquisiscono.

Tradotto in equazioni, questo ragionamento, noto come “meccanismo di Higgs”, funzionerebbe benissimo e il modello standard sarebbe salvo. Perche’ dico funzionerebbe? Come facciamo a dimostrare che esiste il campo di Higgs?

Il campo di Higgs, se esiste, deve possedere un quanto, cioe’ un nuovo bosone la cui esistenza non era predetta nel modello standard, detto appunto “bosone di Higgs”. Detto proprio in termini semplici, riprendendo l’esempio del campo di Higgs come la gelatina di frenamento, questa gelatina ogni tanto si dovrebbe aggrumare formando una nuova particella, appunto il bosone di Higgs.

Dunque, se esiste il bosone di Higgs, allora esite il campo di Higgs e dunque possiamo spiegare la massa delle particelle.

Capite dunque l’importanza della ricerca di questa particella. La sua scoperta significherebbe un notevole passo avanti nella comprensione dell’infinitamente piccolo, cioe’ dei meccanismi che regolano l’esistenza e la combinazione di quei mattoncini fondamentali che formano la materia che conosciamo.

Oltre a questi punti, il bosone di Higgs e’ stato messo in relazione anche con la materia oscura di cui abbiamo parlato in questo post:

La materia oscura

In questo caso, la scoperta e lo studio di questa particella potrebbe portare notevoli passi avanti ad esempio nello studio delle WIMP, come visto uno dei candidati della materia oscura.

Dunque? Cosa e’ successo al CERN? E’ stato trovato o no questo bosone di Higgs?

In realta’ si e no. Nella prima conferenza stampa del CERN si parlava di evidenza di una particella che poteva essere il bosone di Higgs. In questo caso, le affermazioni non sono dovute al voler essere cauti dei fisici, semplicemente, l’evidenza statistica della particella non era ancora sufficiente per parlare di scoperta.

L’ultimo annuncio, solo di pochi giorni fa, ha invece confermato che si trattava proprio di “un” bosone di Higgs. Perche’ dico “un” bosone? In realta’, potrebbero esistere diverse tipologie di bosoni di Higgs. Ad oggi, quello trovato e’ sicuramente uno di questi, ma non sappiamo ancora se e’ proprio quello di cui stiamo parlando per il modello standard.

Anche se tutte le indicazioni fanno pensare di aver fatto centro, ci vorranno ancora diversi anni di presa dati per avere tutte le conferme e magari anche per evidenziare l’esistenza di altri bosoni di Higgs. Sicuramente, la scoperta di questa particella apre nuovi orizzonti nel campo della fisica delle particelle e prepara il campo per una nuova ricchissima stagione di misure e di scoperte.

Onde evitare commenti del tipo: “serviva spendere tutti questi soldi per una particella?”, vi segnalo due post molto interessanti proprio per rispondere a queste, lasciatemi dire lecite, domande:

Perche’ la ricerca: scienza e tecnologia

Perche’ la ricerca: economia

In realta’, LHC ed i suoi esperimenti, oltre a portare tantissime innovazioni tecnologiche che non possiamo ancora immaginare, sono state un importante volano per l’economia dei paesi europei. Investendo nel CERN, l’Italia, e soprattutto le nostre aziende, hanno avuto un ritorno economico molto elevato e sicuramente superiore a quanto investito.

 

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