Ancora sullo squilibrio tra materia e antimateria

In diverse occasioni abbiamo parlato di antimateria, mostrando in particolare le proprieta’ di questa e cercando anche di rispondere ai tanti quesiti che spesso restano insoluti nei non addetti ai lavori:

– Troppa antimateria nello spazio

– Due parole sull’antimateria

– Antimateria sulla notra testa!

In particolare, il discorso principale sull’antimateria non risiede tanto nella sua produzione oggi, bensi’ sul perche’, durante le prime fasi del big bang, la materia sia riuscita a dominare formando l’universo che oggi vediamo. Di questi importanti concetti abbiamo parlato in questo post:

– E parliamo di questo Big Bang

Come visto, il modello teorico che spiega come la materia sia riuscita a dominare sulla controparte prevede tre condizioni, dette di Sakharov in onore del fisico russo che le ha formulate, di cui una riguarda quella che in fisica e’ nota come violazione di CP. Come visto nel post precedente, la violazione di questa proprieta’ delle particelle, indica chiaramente uno squilibrio tra materia e antimateria.

Decadimenti con violazione di CP sono stati osservati in alcune particelle, ma l’intensita’ di questa violazione e’ ancora non sufficiente a confermare quanto proposto da Sakharov.

Proprio pochi giorni fa, l’esperimento LhCB del Cern ha annunciato una nuova importante misura condotta studiando i decadimenti delle particelle Bs.

Cerchiamo di andare con ordine e di capire insieme di cosa si tratta.

Ovviamente, il CERN, cosi’ come LHC, sono divenuti famosi per la ricerca del bosone di Higgs, di cui abbiamo parlato in questo post:

– Bosone di Higgs … ma cosa sarebbe?

La collaborazione LhCB nella caverna dove e’ montato l’esperimento

Oltre ad Atlas e CMS, che sono gli esperimenti che partecipano direttamente alla ricerca del famoso bosone, esistono anche altri 2 rivelatori installati su LHC, chiamati LhCB e Alice. Avendo a disposizione un acceleratore di prim’ordine, e’ ovviamente possibile pensare misure molto importanti di fisica, aprendo gli scenari a scoperte molto importanti nella ricerca di base.

Questa volta, parliamo dunque di LhCB. Si tratta di un esperimento interamente dedicato allo studio dei mesoni “B”, cioe’ composti che includono un quark “bottom”. I mesoni “B” sono estremamente instabili e decadono in brevissimo tempo in altre particelle. Nonostante questo, si pensa che queste particelle fossero molto presenti nel neonato universo e abbiano avuto un ruolo molto importante proprio nella formazione di quello che oggi vediamo. Per alcuni mesoni B, e’ stata gia’ osservata la violazione di CP, di cui parlavamo prima, ma nonostante questo, vista la diretta relazione tra i B ed il Big Bang, uno studio attento e preciso, come solo LHC puo’ permettere, e’ molto importante per capire meglio queste dinamiche.

Detto questo, proprio negli ultimi giorni, LhCB ha annunciato di aver ottenuto importanti risultati nello studio dei decadimenti del Bs, cioe’ di mesoni B contenenti anche quark strange. Studiando un campione di circa 1000 eventi, i fisici di LhCB hanno evidenziato come in quasi 700 casi, i mesoni anti-Bs, cioe’ le antiparticelle, scomparivano decadendo in qualcos’altro. Al contrario, solo in  meno di 400 casi, la stessa cosa avveniva per i Bs, cioe’ le particelle ordinarie.

Cosa significa questo?

Molto semplicemente, e’ stata evidenziata una nuova asimmetria nell’universo. Come potete capire dai numeri riportati, le antiparticelle tendono a decadere, dunque a scomparire, con una probabilita’ maggiore rispetto a quella delle particelle. Detto in altri termini, la natura tende, in questo caso, a far dominare la materia rispetto all’antimateria.

Come detto, questo e’ esattamente quanto accaduto nei primi istanti dell’universo, quando l’equilibrio tra materia e antimateria e’ venuto meno, facendo scomparire quest’ultima e creando il nostro universo di sola materia.

Purtroppo, anche in questo caso, l’intensita’ della violazione osservata, non e’ ancora sufficiente a spiegare i forti meccanismi avvenuti nel baby universo. Molto probabilmente, per spiegare questo sara’ necessario parlare di nuova fisica, cioe’ di particelle e proprieta’ non predette dal modello standard. Sicuramente, la misura fatta da LhCB apre nuovi scenari e ancora molto ci si aspetta da questo esperimento, soprattutto in relazione alle ottime performance che LHC sta regalando ai quattro esperimenti installati.

Concludendo, la misura annunciata da LhCB in questi giorni, ed in via di pubblicazione, evidenzia una nuova asimmetria nella natura, o meglio un nuovo squilibrio tra materia e antimateria. Uno studio attento di queste proprieta’ e’ di fondamentale importanza per capire meglio come si e’ formato il nostro universo. Sicuramente, LHC ci regalera’ ancora tantissime nuove scoperte che, come evidenziato da questo articolo, non devono essere pensate limitate solo al bosone di Higgs.

 

”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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Piccolo approfondimento sulla materia strana

Approfitto di questo post per aprire una piccola parentesi puramente scientifica.

Dopo l’articolo:

– 2012, fine del mondo e LHC

ho ricevuto alcune richieste di utenti che chiedevano maggiori informazioni sui cosiddetti “strangelet”. In particolare, alcuni di voi erano interessati a capire meglio di cosa si trattasse e perche’ sarebbero ipotizzati come potenziali cause di una fine del mondo.

Ovviamente anche in questo caso cerchero’ di mantenere un taglio estremamente divulgativo, cercando di farvi capire con parole semplici di cosa si tratta.

Prendiamo il discorso molto alla larga.

Tutti sapete che la materia e’ composta di atomi. All’interno degli atomi trovate un nucleo centrale e degli elettroni che girano intorno.  Ora, all’interno del nucleo ci sono protoni e neutroni. A loro volta, i protoni ed i neutroni non sono particelle elementari, ma sono formati da quark tenuti insieme dalla forza forte.

In parole povere, abbiamo una sorta di matrioska in cui il nostro gioco termina solo quando arriviamo ai costituenti fondamentali. Con questo si intendono quelle particelle che, ad oggi, non sono formate da “pezzi” piu’ piccoli. Se volete, siamo arrivati ai mattoncini fondamentali che formano la materia.

Il numero di mattoncini fondamentali non e’ elevatissimo, ma distinguiamo tra leptoni e quark.

Cercate di non perdere il filo del discorso. L’elettrone, di cui tutti conosciamo l’esistenza, appartiene alla famiglia dei leptoni. Oltre all’elettrone ci sono il muone, il tau e 3 neutrini, detti a loro volta elettronico, muonico e del tau.

Nella famiglia dei quark, ci sono invece 6 membri che hanno nomi alquanto fantasiosi: up, down, strange, charm, bottom, top. Tradotti in italiano: su, giu’, strano, affascinante, basso e alto.

Tabella riassuntiva dei costituenti fondamentali nel modello standard

Prima di far venire il mal di testa a chi legge, i mattoncini fondamentali che conosciamo sono solo i quark ed i leptoni. Per dirla tutta, a questi si dovrebbero aggiungere anche i mediatori delle forze fondamentali che sono: il fotone, il W, lo Z ed il gluone. Ma questi ultimi non ci servono nella nostra discussione.

La figura riportata ci puo’ aiutare a fissare in mente questi concetti.

Se siete riusciti a leggere fino a questo punto, ora avrete la strada in discesa.

Come detto prima, nel nucleo troviamo neutroni e protoni. Queste particelle, che come anticipato sono a loro volta composte di quark, sono in realta’ formati solo da combinazioni di quark up e down.

Facciamo ora questo ragionamento. Tutto cio’ che ci circonda, noi compresi, e’ formato da atomi. Rileggendo quanto detto, tutto cio’ che ci circonda e’ formato da elettroni e quark up e down (nei protoni e neutroni). La differenza tra i diversi atomi sta solo nel numero di protoni, neutroni e elettroni che abbiamo.

Cosa significa questo? Tutta la materia che ci circonda, e che vediamo intorno a noi, e’ formata solo da 3 particelle fondamentali. E tutte le altre che vediamo nell’immagine dei costituenti fondamentali che fine fanno?

Le altre particelle entrano nei processi di decadimento che osserviamo in natura e che, molto spesso, siamo in grado di riprodurre nei nostri laboratori. Molti di questi, chiamiamoli in modo improprio, “composti” sono instabili, cioe’ dopo un tempo molto breve decadono in altre particelle piu’ stabili.

In condizioni normali, sappiamo che il protone, il neutrone e l’elettrone, che stiamo ora discutendo, sono stabili nell’atomo. La prova di questo ce l’avete guardandovi intorno. Se, ad esempio, il protone decadesse in altre particelle, dovreste vedere la materia scomparire e lasciare il posto ad altro.

Bene, gli strangelets, di cui abbiamo parlato nell’articolo su LHC, altro non sono che stati legati contenenti quark strange. Proprio da questo, si parla di materia “strana”.

Nella teoria degli strangelet, queste particelle potrebbero essere stabili ed interagire con la materia ordinaria, trasformandola a sua volta in materia strana. Da qui la teoria vista per cui eventuali atomi di questo tipo potrebbero trasformare l’intera Terra in un blocco di materia strana.

La confutazione di questa teoria e’ stata gia’ fatta nel precedente articolo. Spero con questo post di essere riuscito a farvi capire meglio di cosa si parla quando si citano gli strangelet e la materia strana in generale.

Solo per completezza, si ipotizza che la materia strana possa essere contenuta all’interno delle stelle di neutroni. Per questi corpi, l’alta densita’ di materia nel nucleo e l’elevata pressione a cui questa materia e’ sottoposta, potrebbero generare stati legati stabili contenenti quark strani.

Parlare di 2012 e profezie per la fine del mondo ci consente di esplorare aree e argomenti della scienza moderna, molto spesso considerati ostici e poco divulgabili al grande pubblico. Per continuare ad analizzare le profezie sul 2012, ma soprattutto a parlare di scienza vera e sempre attuale, non perdete in libreria “Psicosi 2012. Le risposte della scienza”.

2012, fine del mondo e LHC

Dopo aver parlato di pianeti erranti, fenomeni atmosferici, asteroidi, rifugi sotterranei e chi piu’ ne ha, piu’ ne metta, in questo post vorrei tornare a qualcosa piu’ vicino alla Fisica in senso stretto.

Tutti avranno sentito parlare di LHC, cioe’ l’acceleratore di particelle lungo 27 Km costruito sottoterra tra Francia e Svizzera. Stiamo parlando del pu’ grande e potente acceleratore di particelle mai costruito e dove solo pochi mesi fa e’ stata annunciata la scoperta del bosone di Higgs.

In questo post, non voglio entrare nel merito dei parametri dell’acceleratore, ne tantomeno parlare di fisica. Voglio parlare di LHC solo in relazione al 2012 e a tutte le voci che vorrebbero questo acceleratore come una potentissima arma in grado di mettere in pericolo l’intera razza umana.

Gia’ prima dell’accensione di LHC, numerose critiche erano state mosse a questo acceleratore e molte di queste sono anche arrivate in tribunale. Proprio di questi giorni e’ l’ultimo rigetto da parte della corte europea per una richiesta di spegnimento proposta da una cittadina tedesca.

In questo post, vorrei cercare di ragionare sulle critiche mosse nei confronti di LHC e capire quali sono i concetti sui quali si basano queste richieste di spegnimento.

Una delle piu’ seguite teorie catastrofiste su LHC e’ stata proposta da Steve Alten nel suo libro: “2012. La fine del mondo”. Secondo Alten, l’aumento di terremoti a livello mondiale, che stiamo viviendo in questi ultimi mesi, sarebbe proprio connessa con LHC.

Prima di tutto, facciamo una premessa importante. In numerosi articoli abbiamo gia’ parlato di terremoti dal momento che questi fenomeni vengono anche messi in relazione con l’influenza gravitazionale del decimo pianeta. Consultando i vari database sparsi in rete, e’ stato possibile analizzare statisticamente il numero dei terremoti, smentendo assolutamente un aumento sia nel numero che nell’intensita’ delle scosse:

– Riassunto sui terremoti

– Analisi statistica dei terremoti

– Dati falsi sui terremoti

– Terremoti, basta chiacchiere. Parliamo di numeri.

– Terremoti: nuove analisi statistiche

Fatta questa premessa, e’ comunque interessante capire perche’ LHC verrebbe imputato come una causa dell’insorgenza di terremoti.

Sempre secondo Alten, all’interno di LHC verrebbero prodotte delle particolari strutture potenzialmente pericolose: mini buchi neri e perticelle “strangelet”. Vediamo singolarmente di cosa si tratta capendo anche se la loro esistenza e’ veramente possibile.

Una tratto dell’acceleratore LHC

Per quanto riguarda i mini buchi neri, l’ipotesi di produzione non e’ formalmente corretta. In molti siti, anche a carattere scientifico, si parla di produzione di mini buchi neri, ma assolutamente non pericolosi. Per capire l’affermazione fatta, cerchiamo di ragionare insieme. Come si forma un buco nero? Affinche’ questo venga prodotto, e’ necessario che la natura concentri una quantita’ molto elevata di massa in uno spazio ristretto. In questo modo si ottiene una regione ad altissima densita’ di energia, da cui potrebbe formarsi un buco nero. Ora, per quanto potente sia LHC, l’energia dei fasci utilizzati non e’ neanche lontanamente vicina a quelle che troviamo in natura nei raggi cosmici. Esiste pero’ una teoria scientifica, secondo la quale all’interno di acceleratori di particelle si potrebbero formare precursori di mini buchi neri, cioe’ particelle potenzialmente in grado di accrescere un buco nero risucchiando la materia circostante. Ad oggi, queste particelle non sono mai state osservate.

Dunque, siamo nel campo delle ipotesi, la formazione di questi che possiamo chiamare pre-buchi-neri non e’ neanche certa. Nonostante questo, per analizzare e scongiurare ogni possibile scenario, possiamo studiare l’evoluzione nel tempo nel caso in cui queste particelle venissero formate.

Come anticipato, per far accrescere un buco nero e’ necessario che questo assorba materia dall’ambiete circostante. Proprio questo meccanismo ha contribuito all’ipotesi secondo la quale i buchi neri all’interno di LHC avrebbero risucchiato, nel giro di pochi minuti, l’intera Terra. Premettiamo subito che questo effetto non e’ possibile! Prima di tutto, i tubi in cui vengono fatti circolare i fasci sono tenuti ad un vuoto molto spinto. Questo riduce da subito la quantita’ di materia in prossimita’ dell’eventuale buco nero e che dunque potrebbe essere utilizzata per l’accrescimento.

Se ancora non foste convinti della non pericolosita’ dell’ipotesi fatta, possiamo ragionare anche sull’eventuale esistenza del buco nero. Una delle maggiori teorie formulate dal fisico Stephen Hawking e’ la cosidetta teoria dell’evaporazione dei buchi neri. Secondo questa ipotesi, il buco nero emette radiazione, nota come di Hawking, e l’effetto di questa emissione e’ la perdita di particelle dal buco nero verso l’esterno. La continua emissione di radiazione di Hawking e’ artefice, in un tempo piu’ o meno lungo, della completa evaporazione di un buco nero. Per un buco nero di media massa, il tempo necessario all’evaporazione e’ di qualche miliardo di anni.

Per media dimensione intendiamo qualcosa con una massa dell’ordine di 10^12 Kg. Se ora pensiamo ad un buco nero formato al limite di una sola leggerissima particella, capite bene che l’evaporazione del pre-buco nero sarebbe istantanea, scongiurando definitivamente ogni possibilita’ di accrescimento.

Risolto il problema dei buchi neri, resta da chiarire il discorso strangelet. Uno strangelet e’ una particella, del tutto ipotetica, pensata come uno stato legato di quark strange. Per completezza di informazioni, mentre i protoni ed i neutroni sono stati legati formati da quark “up” e “down”, gli strangelet sarebbero composti da quark “strange”, cioe’ un’altra tipologia di quark, e proprio per questo parliamo di materia “strana”. In questo contesto, la cosa importante da capire e’ il perche’ queste particelle, ripeto per il momento solo teorizzate, potrebbe essere pericolose.

Date le proprieta’ di uno strangelet, se un acceleratore riuscisse a produrre una di queste particelle a carica negativa, questa potrebbe interagire immediatamente con le particelle ordinarie,e trasformare anche queste in materia strana. Il risultato sarebbe un effetto a catena di conversioni che, nel giro di pochissimo tempo, trasformerebbero l’intera Terra in un blocco di materia strana.

Cme abbiamo anticipato, la probabilita’ di formazione di materia strana e’ abbastanza remota anche alle potenze di LHC. Teniamo sempre conto del fatto che, se anche venisse formata, dato il vuoto all’interno del’acceleratore, la probabilita’ di interazione tra materia strana e ordinaria sarebbe del tutto impossibile.

Come vi anticipavo, gia’ prima dell’accensione di LHC molti avevano puntato il dito contro l’acceleratore e il CERN. Proprio per l’insistenza di queste voci, il laboratorio svizzero ha anche messo online una pagina molto completa con le risposte scientifiche a tutte queste ipotesi catastrofiche:

– CERN LHC Safety

Il concetto della sicurezza di LHC in relazione al 2012 e alla fine del mondo e’ stato anche ribadito dal Dott. Sergio Bertolucci, direttore di divisione ricerca e calcolo del CERN di Ginevra, nella sua prefazione scritta proprio per il libro “Psicosi 2012. Le risposte della scienza”.

Vi riporto qui un brevissimo estratto interessante per capire la posizione del CERN nei confronti delle tante richieste di chiarimento che ogni giorno riceve:

(Di annunci sulla fine del mondo) Ne sono stato testimone privilegiato alla partenza di LHC, il grande collisionatore di protoni entrato in funzione alla fine del 2008 nel laboratorio del CERN di Ginevra: uno sparuto gruppo di «colleghi», ogniqualvolta un nuovo acceleratore di particelle entra in operazione, si affretta a rispolverare un vecchio e indifendibile modello teorico, prevedendo che la nuova macchina produrrà dei piccoli buchi neri, che incominceranno a risucchiare le cose attorno a loro, divorandosi il laboratorio, Ginevra, la Svizzera, la Terra e così via…

LHC è in funzione dal 2009 e ovviamente non ha causato nessuna fine del mondo. Malgrado ciò, riceviamo almeno una lettera al mese dai quattro angoli del globo, che presenta la prossima teoria sulla fine del mondo: rispondiamo a tutte.

Come potete leggere, e come abbiamo visto in precedenza, si tratta di teorie vecchie e rispolverate alla partenza di ogni nuovo acceleratore di particelle.

Concludendo, non c’e’ assolutamente nessun pericolo che macchine di questo tipo possano causare la fine del mondo.

Per analizzare scientificamente ogni possibile profezia sul 2012, sfruttando queste teorie per parlare di scienza e divulgare concetti molto spesso poco compresi e sempre attuali, non perdete in libreria “Psicosi 2012. Le risposte della scienza”