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Il doppio senso della freccia del tempo

È noto che le leggi della fisica sono valide procedendo sia in avanti che indietro nel tempo. Ma la domanda è: perchè il tempo sembra muoversi in una sola direzione? Secondo alcuni studi recenti, una possibile risposta potrebbe portare a rivelare i segreti della massa mancante dell’Universo.

Credit: Matthew DiVito – http://matthewdivito.com/

È noto che solo pochi fatti a noi comuni sono così ovvi come la distinzione tra passato e futuro. Ci ricordiamo di uno (il passato) e non siamo in grado di prevedere l’altro (il futuro). Ad esempio, se riavvolgiamo la storia di un film all’indietro, vedremo che esso non apparirà molto realistico. Dunque, diciamo che esiste una “freccia del tempo” che punta dal passato al futuro. Ci si potrebbe aspettare che un fatto così “semplice”, come per l’appunto l’esistenza della freccia del tempo, sia parte integrante delle leggi fondamentali della natura. Tuttavia, l’opposto è vero. Infatti, se fossimo in grado di realizzare un film su una serie di eventi subatomici, la versione “all’indietro nel tempo” sembrerà perfettamente ragionevole. Detto in maniera più rigorosa: le leggi fondamentali della fisica, tranne piccole, particolari eccezioni, saranno soddisfatte sia che il tempo scorra in avanti che indietro. In altre parole, nelle leggi fondamentali della fisica la freccia del tempo è reversibile. Il senso comune, però, sembra suggerire il contrario, ossia che la trasformazione che ribalta la direzione del tempo possa modificare le leggi fondamentali. Ma in realtà non è così. I fisici utilizzano un proprio gergo per descrivere questo fatto: essi definiscono la trasformazione che ribalta la freccia del tempo con il termine “reversibilità temporale” o più semplicemente “T”. Inoltre, i fisici parlano di “invarianza T” o “simmetria T” riferendosi al fatto (approssimativo) che T non modifica le leggi fondamentali della fisica. Ma, ancora una volta, l’esperienza quotidiana ci dice che l’invarianza T viene violata, mentre le leggi fondamentali la rispettano. Questa disuguaglianza solleva una serie di domande importanti. In che modo il mondo reale, le cui leggi fondamentali rispettano la simmetria T, appare così asimmetrico? È possibile, forse un giorno, che incontreremo alieni che vivono sperimentando un flusso temporale invertito, cioè esseri che diventano più giovani anzichè invecchiare come noi? Potremmo mai ribaltare, attraverso qualche particolare processo fisico, la freccia del tempo così come viene sperimentata da noi esseri umani? Si tratta di grandi domande alle quali possiamo associarne una complementare: perchè le leggi della fisica avrebbero quella bizzarra proprietà dell’invarianza T? La domanda a cui possiamo dare oggi una risposta è incomparabilmente più profonda e più complessa di quella che potevamo dare circa 50 anni fa. La comprensione più moderna della natura è emersa grazie ad una brillante interconnessione di scoperte sperimentali e analisi teoriche che hanno prodotto diversi premi Nobel. Tuttavia, la nostra risposta contiene una “falla”. La speranza è, quindi, quella per cui l’eliminazione di questa falla potrà portarci, come una sorta di bonus inatteso, all’identificazione dell’enigmatica materia scura.

La storia moderna dell’invarianza T inizia nel 1956. In quell’anno, T. D. Lee e C. N. Yang proposero una diversa, sebbene correlata, proprietà delle leggi della fisica, che fino ad allora era stata considerata come certa. Lee e Yang non si preoccuparono del problema della reversibilità del tempo (T) piuttosto del suo analogo spaziale, cioè la cosiddetta “trasformazione di parità” o “P”. Mentre T riguarda il concetto di “guardare un film all’indietro nel tempo”, P tratta invece il problema di “guardare un film riflesso in uno specchio”. L’invarianza di parità è l’ipotesi per cui gli eventi che osserviamo nei “film riflessi” seguano le stesse leggi della fisica come nel film originale. Lee e Yang identificarono un’evidenza circostanziale contro quell’ipotesi e suggerirono la necessità di realizzare una serie di esperimenti per verificarla. Dopo pochi mesi, gli esperimenti provarono che l’invarianza P viene meno in molte circostanze (l’invarianza P è valida per l’interazione gravitazionale, elettromagnetica e forte e di solito viene meno nelle interazioni deboli). Quei drammatici sviluppi che si ebbero in merito al problema della (non)-invarianza P stimolarono i fisici a discutere il problema dell’invarianza T, essendo considerata come una sorta di assunzione che avevano preso per certa. Ma l’ipotesi dell’invarianza T sopravvisse una attenta analisi per diversi anni. Fu solo nel 1964 che un gruppo di ricercatori guidati da James Cronin e Valentine Fitch scoprì un minuscolo effetto peculiare nel decadimento dei mesoni K che, effettivamente, viola l’invarianza T.

Chiedersi perchè l’Universo dovesse essere caratterizzato da invarianza temporale non sembrava una domanda interessante. Era così. Ma dopo il lavoro di Cronin e Fitch, il mistero dell’invarianza T non potè essere eliminato. Molti teorici si batterono nel tentativo di comprendere come l’invarianza T potesse essere estremamente accurata, non completamente esatta. Il lavoro di Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa fu decisivo. Nel 1973, i due fisici proposero che l’approssimativa invarianza T è una conseguenza accidentale di altri principi fisici più profondi. Insomma, i tempi erano maturi. Non molto tempo prima, erano stati delineati i concetti del moderno modello standard delle particelle elementari e con esso un nuovo livello di comprensione delle interazioni fondamentali. Dal 1973 si ebbe un quadro teorico alquanto potente, e sperimentalmente di grande successo, che era basato su pochi “princìpi sacri”. Quei principi sono la relatività, la meccanica quantistica e una regola matematica di uniformità chiamata dai fisici “simmetria di scala o di gauge”. Kobayashi e Maskawa fecero due cose. Prima di tutto, essi mostrarono che se la fisica veniva limitata alle particelle allora note (cioè se c’erano soltanto due famiglie di quark e leptoni), allora tutte le interazioni permesse dai principi sacri rispettano l’invarianza T. Se Cronin e Fitch non avessero fatto la loro scoperta, quel risultato sarebbe stato un puro trionfo. Ma essi la fecero e perciò Kobayashi e Maskawa fecero passi in avanti. Essi mostrarono che se si introduce un insieme ben definito di nuove particelle (cioè una terza famiglia), allora quelle particelle portano nuove interazioni che determinano una piccola violazione dell’invarianza T. Questo sembrò proprio il caso. Negli anni seguenti, il loro brillante lavoro teorico investigativo venne completamente rivendicato. Le nuove particelle che avevano ipotizzato Kobayashi and Maskawa vennero osservate tutte e le loro interazioni sono proprio quelle proposte dai due fisici. Ma tornando ai principi sacri, la domanda è: sono davvero “sacri” questi principi? Certamente la risposta è no. Se gli esperimenti forzano gli scienziati a modificare quei principi, anch’essi saranno modificati. Al momento, però, quei principi sacri appaiono terribilmente in “ottima forma”. Evidentemente è stata buona cosa prenderli sul serio.

Finora abbiamo raccontato una storia di successi e trionfi. La domanda su come funziona il mondo ha ricevuto una risposta profonda, bellissima e soddisfacente. Ma non sono tutte rose e fiori. Alcuni anni dopo il lavoro di Kobayashi e Maskawa, Gerard ’t Hooft scoprì una falla nella loro spiegazione dell’invarianza T. Quei principi sacri permettono un altro tipo di interazione. Questa potenziale, nuova interazione è alquanto sottile e la scoperta di ’t Hooft si rivelò per molti teorici una grande sorpresa. La nuova interazione, laddove presente con una sostanziale intensità, violerebbe l’invarianza T in modi molto più ovvi rispetto all’effetto che Cronin, Fitch e colleghi avevano scoperto. In particolare, questa interazione permetterebbe allo spin del neutrone di generare un campo elettrico, in aggiunta al campo magnetico che essa causa (il campo magnetico di un neutrone ruotante è di gran lunga analogo a quello della Terra, sebbene si tratta di scale di intensità decisamente diverse). I fisici sperimentali hanno tentato di osservare questi campi elettrici ottenendo finora pochi risultati significativi. Pare che la natura non scelga di sfruttare la falla identificata da ’t Hooft, il che solleva una nuova domanda: perchè la natura fa osservare l’invarianza T in maniera così accurata? Per rispondere a questa domanda, sono state introdotte diverse spiegazioni, ma solo una ha resistito alla verifica del tempo. L’idea principale è dovuta a Roberto Peccei e a Helen Quinn. La loro proposta, come quella di Kobayashi e Maskawa, riguarda l’estensione del modello standard in un determinato modo. Si introduce un campo neutro, il cui comportamento è particolarmente sensibile all’interazione di ’t Hooft. Se davvero questa interazione è presente, allora il campo neutro aggiusterà il proprio valore in modo da cancellare l’influenza dell’interazione (questo processo di aggiustamento è di gran lunga simile a quello per cui gli elettroni di carica negativa in un solido si aggregheranno attorno ad una impurità di carica positiva facendo da schermo alla sua influenza). Il campo neutro chiude così la nostra falla. Peccei e Quinn cercarono una conseguenza importante e verificabile dei loro dati. Le particelle prodotte dal loro campo neutro, ossia i suoi quanti, hanno delle proprietà ben precise. Dato che i due fisici non presero nota della presenza di queste particelle, essi tra l’altro non introdussero una particolare nomenclatura.

Il fustino del detergente Axion. Credit: F. Wilczek

Alcuni anni prima, il fisico teorico e premio Nobel per la fisica Frank Wilczek aveva notato in un supermercato alcuni fustini alquanto colorati di un detergente per lavabiancheria: essi portavano la scritta “Axion – detergent booster”. Da qui, Wilczek decise che il termine “axion” fosse appropriato per nominare quelle particelle che in qualche modo “pulivano” un problema con una corrente “assiale” (a quell’epoca, Steven Weinberg aveva già notato questa particella in maniera indipendente chiamandola “Higglet”, un termine che in accordo con Wilczek fu deciso di abbandonare). Così, ebbe inizio una saga le cui conclusioni devono essere ancora scritte. Nelle cronache del Particle Data Group si trovano diverse pagine che raccontano una serie di esperimenti sugli insuccessi relativi alla ricerca degli assioni. Tuttavia, c’è ancora spazio per l’ottimismo. In generale, la teoria degli assioni predice che queste particelle siano molto leggere, con una vita media molto lunga e le cui interazioni con la materia ordinaria sono molto deboli. Però, per confrontare teoria ed esperimenti bisogna essere quantitativi. Ed è qui che incontriamo l’ambiguità, dato che la teoria non permette di fissare il valore della massa degli assioni. Se conosciamo la loro massa, possiamo predire tutte le altre proprietà. Ma la massa può variare su un ampio intervallo di valori (un problema già incontrato per il quark-charm, il bosone di Higgs, il quark-top e altre particelle). Si ha che l’intensità dell’interazione prodotta dagli assioni è proporzionale alla loro massa. Perciò, dato che il valore assunto per la massa degli assioni descresce, la particella diventa alquanto elusiva. Inizialmente, i fisici si sono concentrati su alcuni modelli dove l’assione è strettamente correlato alla particella di Higgs. Queste idee suggeriscono che la massa degli assioni sarebbe pari a circa 10 KeV, cioè circa 1/50 della massa dell’elettrone, un valore su cui si sono basati i primi esperimenti di ricerca. Oggi siamo confidenti che quegli assioni non esistono. L’attenzione si diresse perciò verso valori più piccoli della massa dell’assione e, di conseguenza, verso accoppiamenti ancora più deboli, che non sono esclusi dagli esperimenti. Gli assioni di questo tipo emergono in maniera naturale nei modelli che unificano le interazioni del modello standard. Non solo, ma questo tipo di assioni “leggeri” emergono nella teoria delle stringhe. Secondo quanto viene calcolato, gli assioni sarebbero stati prodotti durante gli istanti iniziali della storia cosmica, subito dopo il Big Bang. Dunque, se gli assioni esistono davvero, allora ci deve essere una sorta di “flusso assionico” che pervade l’Universo. L’origine di questo flusso è molto simile, approssimativamente, alla famosa radiazione cosmica di fondo, anche se esistono tra queste due entità tre differenze principali. La prima: il fondo di radiazione cosmica è stato osservato, mentre il flusso assionico è ancora qualcosa di teorico. Secondo: dato che gli assioni hanno massa, il loro flusso dovrebbe contribuire in maniera significativa alla densità totale di massa dell’Universo. Infatti, è stato calcolato che essi contribuiscono approssimativamente alla quantità di massa che gli astronomi hanno identificato come materia scura. Terzo: dato che gli assioni interagiscono così debolmente, risulta molto più difficile identificarli rispetto ai fotoni della radiazione cosmica. Nonostante ciò, la ricerca degli assioni continua su più fronti. Attualmente esistono due esperimenti, promettenti, che hanno lo scopo di identificare questo flusso assionico. Uno di questi, denominato ADMX (Axion Dark Matter eXperiment) utilizza particolari antenne ultrasensibili per convertire il fondo assionico in impulsi elettromagnetici. L’altro esperimento, denominato CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment), cerca piccolissime oscillazioni nel movimento degli spin nucleari che sarebbero indotti dal flusso assionico. I due esperimenti, alquanto complicati, sono stati concepiti per coprire quasi tutto lo spettro delle possibili masse degli ipotetici assioni.

Ci si chiede, dunque, se in definitiva gli assioni esistono davvero. Non lo sappiamo ancora per certo. La loro esistenza porterebbe la storia della reversibile freccia del tempo ad una conclusione drammatica, sebbene soddisfacente, e molto probabilmente alla soluzione del problema della materia scura. Quello che possiamo dire è che il “gioco” non è ancora concluso.

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