Archivi tag: cromodinamica quantistica

HERA fornisce il quadro più preciso sul protone

Dopo 15 anni di misure e altri 8 trascorsi per l’analisi dei dati e i calcoli, i fisici della collaborazione H1 e ZEUS hanno pubblicato i risultati più precisi sulla struttura e il comportamento del protone. I due esperimenti, realizzati dal 1992 al 2007 con l’acceleratore di particelle HERA (Hadron Electron Ring Accelerator) presso il Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), un centro nazionale di ricerca sulla fisica nucleare in Germania, hanno permesso di combinare più di un miliardo di collisioni protoniche con elettroni o positroni. All’analisi dei dati hanno contribuito più di 300 ricercatori di 70 istituti. Continua a leggere HERA fornisce il quadro più preciso sul protone

Come ti peso i nucleoni

Il fatto che il neutrone sia leggermente più massiccio del protone è la ragione per cui i nuclei atomici hanno esattamente quelle proprietà che costituiscono il nostro mondo e che rendono in ultima analisi possibile la nostra esistenza. Oggi, 80 anni dopo la scoperta del neutrone, un gruppo di fisici europei guidati da Zoltán Fodor, portavoce della collaborazione Budapest-Marseille-Wuppertal, ha finalmente calcolato la minuscola differenza di massa tra il neutrone e il protone. I risultati, pubblicati su Science, sono considerati una pietra miliare e rappresentano una conferma della cromodinamica quantistica, la teoria che descrive dell’interazione forte. Per ottenere questi risultati è stato utilizzato uno dei computer più potenti del mondo: JUQUEEN.

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A caccia di assioni con ADMX

Le ipotetiche particelle denominate assioni furono proposte inizialmente negli anni ’70 per risolvere un problema non collegato direttamente alla materia scura. Man mano che i fisici sviluppavano la teoria dell’interazione nucleare forte, che lega i quark all’interno dei protoni e neutroni, essi notarono qualcosa di sbagliato. Le interazioni all’interno dei neutroni avrebbero dovuto rendere queste particelle elettricamente asimmetriche e farle ruotare in presenza di un campo elettrico. Ad ogni modo, gli esperimenti non mostrano un tale processo per cui ci deve essere qualcosa che manca nella teoria.

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LHCb identifica due ‘particelle’ al prezzo di una

Il gruppo di fisici che lavorano all’esperimento LHCb presso il Large Hadron Collider hanno annunciato la scoperta di due nuove “particelle”, o meglio di due nuovi stati legati che riguardano la famiglia dei barioni, particelle subatomiche composte da tre quark. Denominate con le sigle Xi_b’ e Xi_b*, le particelle sono state previste dal modello a quark ma non erano mai state identificate. Un’altra particella simile, Xi_b*0, è stata trovata dall’esperimento CMS nel 2012. I risultati si riferiscono ad una serie di esperimenti che sono stati realizzati da LHC tra il 2011 e il 2012 e sono stati pubblicati su Physical Review Letters.

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Un segnale ‘misterioso’ dal Sole: evidenza di materia scura?

Alcuni scienziati dell’Università di Leicester hanno rilevato un segnale curioso nella banda dei raggi-X che potrebbe essere associato alla misteriosa materia scura. Secondo i ricercatori, si tratterrebbe, è l’obbligo il condizionale, di un segnale dovuto agli assioni, ipotetiche particelle elementari proposte, tra l’altro, per spiegare la materia scura. In uno studio in corso di pubblicazione proprio oggi 20 ottobre 2014 sulla prestigiosa rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), gli scienziati descrivono la loro scoperta in termini di un segnale che non sembra avere una spiegazione convenzionale.

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Le condizioni fisiche dell’Universo durante il ‘primo’ microsecondo

Grazie ad una serie di simulazioni che furono proposte inizialmente circa sette anni fa con un supercomputer, un gruppo di ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory hanno riprodotto le condizioni fisiche iniziali che hanno caratterizzato la nascita dell’Universo.

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Nuovi indizi sul processo di produzione dei fotoni nelle collisioni di alta energia

Sappiamo che il nucleo dell’atomo è composto da protoni e neutroni che, a loro volta, sono costituiti da particelle più elementari chiamate quark e gluoni. Osservare queste particelle elementari è alquanto complicato e allora i fisici utilizzano i grandi acceleratori per far scontrare gli atomi alla velocità della luce e vedere cosa accade durante le collisioni ad alta energia.

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I quark e l’interazione nucleare forte: la nascita della QCD

Quest’anno si celebra il 40° anniversario della cromodinamica quantistica, la teoria più moderna che descrive l’interazione nucleare forte.

Nel 1972, non si era ancora certi sulla natura dei quark, e perciò sull’interazione nucleare forte, e questo campo di ricerca sembrava una sorta di “terra di nessuno” dato che i teorici erano a corto di idee. Nessun scienziato era in grado di formulare un quadro teorico che potesse offrire calcoli e previsioni che fossero verificabili sperimentalmente. Ad ogni modo, in meno di due anni la situazione si trasformò radicalmente quando apparve la teoria della cromodinamica quantistica (Quantum Chromo Dynamics, QCD) che è rimasta fino ad oggi più o meno nella sua veste originale. L’idea si deve ufficialmente a David Gross, Frank Wilczek e David Politzer i quali trovarono che l’interazione forte diviene più debole a breve distanza. Gli scienziati eseguirono tutta una serie di calcoli precisi ottenendo delle equazioni matematiche esteticamente eleganti. Nel 1973, Gross e il suo studente Wilczek e separatamente Politzer inviarono i loro articoli che apparvero in seguito nel numero di Giugno del Physical Review Letters. Gli scienziati dimostravano come si comporta l’interazione forte tra i quark in funzione della loro distanza e dell’energia (l’interazione forte tra i quark decresce all’aumentare dell’energia), rendendo così i quark ‘asintoticamente liberi’ a energie elevate o, in maniera equivalente, a brevi distanze all’interno dei protoni e dei neutroni. Oggi, i quark e l’interazione nucleare forte fanno parte del cosiddetto Modello Standard, il quadro teorico che descrive le proprietà ed il comportamento delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali. Ricordiamo che Gross, Wilczek e Politzer ricevettero nel 2004 il Premio Nobel per la Fisica “per la scoperta della libertà asintotica nella teoria dell’interazione nucleare forte”.

CERN: Free the quarks: Calculating the strong force

Derek Leinweber: Visualizations of Quantum Chromodynamics

Il nostro Universo potrebbe essere una simulazione al computer

Siamo tutti immersi in una simulazione numerica come nel famoso film Matrix? Davvero il nostro Universo è una simulazione generata da un computer dietro al quale si nasconde una mente diabolica artificiale che ci sta usando? Di solito i film o i libri di fantascienza si basano su questo concetto per cui nulla è reale. Ma questa idea è antica e risale addirittura a Platone e venne perseguita da Cartesio alcuni secoli dopo, anche se nessuno finora ha presentato prove concrete che questa ipotesi sia effettivamente possibile. Oggi, però, un gruppo di ricercatori dell’Università di Bonn hanno pubblicato i risultati di uno studio che fornisce un metodo attraverso il quale sarebbe possibile eseguire un test per verificare il fatto che l’Universo in cui viviamo è effettivamente una simulazione numerica.

Alcune simulazioni numeriche che descrivono la struttura su larga scala dell’Universo secondo i modelli cosmologici attuali.

Chiedersi se siamo consapevoli del mondo che ci circonda è un dilemma che è stato da sempre posto da filosofi e pensatori. Una prima argomentazione venne trattata nel dialogo Repubblica dove Platone spiegava, attraverso l’allegoria della caverna, l’esistenza ideale dell’uomo che non pensa. Platone, che viene considerato il padre della filosofia occidentale, riteneva invece che l’unico modo di comprendere il mondo reale dovesse passare attraverso la matematica e la geometria da cui gli studenti avrebbero potuto derivare indizi fondamentali sui processi fisici della natura. Alcuni secoli dopo, il filosofo francese Cartesio, a cui spesso vengono attribuiti gli studi sulla metafisica, sollevò di nuovo il problema del cosiddetto “esperimento mentale” che doveva far sì che i suoi lettori assumessero una posizione radicale contro ogni dubbio. Portando l’esempio di un demone che tiene in trappola gli uomini in un mondo virtuale, Cartesio chiedeva ai lettori di considerare tutte le loro esperienze sensoriali che li portassero verso la ricerca di una certa premessa. Egli è famoso per la sua frase “cogito ergo sum”, cioè io penso dunque sono, punto di partenza per costruire un quadro della realtà. In seguito, alcuni critici sostennero che l’esistenza di pensieri non implica necessariamente che esista un pensatore.

Alcune simulazioni numeriche che descrivono la struttura dello spazio tridimensionale a forma di lattice applicando le leggi della cromodinamica quantistica.

L’idea dei ricercatori tedeschi, guidati dal professor Silas Beane, deriva dai calcoli numerici che vengono già realizzati per descrivere la struttura su larga scala dell’Universo, almeno come noi lo comprendiamo. In generale, queste simulazioni si basano su modelli tridimensionali per mezzo dei quali si creano delle strutture a forma di lattice per tener conto delle distanze relative tra gli oggetti virtuali e per descrivere la loro evoluzione in funzione del tempo. Ma i ricercatori tedeschi suggeriscono, invece, che una struttura a forma di lattice può essere ricostruita anche a partire dal mondo delle particelle elementari applicando cioè le leggi della cromodinamica quantistica, la teoria che descrive le forze nucleari a livello subatomico. In altre parole, gli scienziati ritengono che simulare le leggi della fisica a questi livelli fondamentali sia equivalente, più o meno, a riprodurre quei processi fisici che avvengono su scale cosmologiche. Tuttavia, applicare le equazioni matematiche a queste dimensioni estremamente piccole è alquanto complicato e nonostante vengano utilizzati super computer molto potenti i ricercatori devono simulare regioni di spazio su scale dell’ordine del femtometro (1 femtometro = 10-15 metri) o del quadrilionesimo di metro. Il problema principale con queste simulazioni consiste nel fatto che le leggi della fisica devono essere ‘adattate’ ad una struttura discreta tridimensionale a forma di lattice che evolve nel tempo. E da qui che deriva la proposta dei ricercatori tedeschi. Per provare il fatto che viviamo in un mondo virtuale dobbiamo trovare delle evidenze di una sottostruttura a forma di lattice andando a determinare i suoi punti finali o estremi. Infatti, se veramente vivessimo in una realtà virtuale, questa struttura a forma di lattice dovrebbe implicare, per sua natura, un limite alla quantità di energia associata alle particelle dato che nulla può essere più piccolo della struttura stessa del lattice. In altre parole, se il nostro Universo fosse una simulazione numerica allora ci deve essere un modo per misurare lo spettro di energia delle particelle determinando il punto di variazione (cut off) quando l’energia viene dispersa a causa delle interazioni con la radiazione cosmica di fondo. Ora, questo punto di cut off esiste nello spettro di energia dei raggi cosmici ed è noto come limite di Greisen–Zatsepin–Kuzmin (effetto GZK). Questo calo nella distribuzione dell’energia dei raggi cosmici è ben studiato e si ha quando le particelle energetiche interagendo con la radiazione cosmica di fondo perdono energia man mano che percorrono lunghe distanze cosmologiche. I ricercatori calcolano che la struttura spaziale del lattice causa un ulteriore ‘segnale caratteristico’ nello spettro di energia, in altre parole i raggi cosmici ‘preferiscono’ viaggiare lungo gli assi del lattice. Ma allora ciò vuol dire che non osserveremmo i raggi cosmici in maniera uguale da ogni direzione del cielo. Insomma, i ricercatori stanno oggi cercando di svelare alcuni segreti che si celano nell’Universo dato che non tutto sembra come appare. Comunque sia, l’ipotesi che il nostro Universo potrebbe rivelarsi una simulazione risulta molto affascinante ma allo stesso tempo potrebbe essere limitata dalla nostra comprensione dei concetti fondamentali della cromodinamica quantistica.

ArXiv: Constraints on the Universe as a Numerical Simulation

Il ‘nuovo mondo’ di Frank Wilczek

Il libro che voglio segnalare oggi è “La Leggerezza dell’essere – La massa, l’etere e l’unificazione delle forze” di Frank Wilczek, edito da Einaudi. Wilczek, che si occupa di cromodinamica quantistica  ed è premio Nobel per la Fisica, comincia il libro affermando che l’Universo non è più quello di un tempo e non è ciò che sembra.

Si tratta di un viaggio nel cuore della struttura della materia e delle sue componenti elementari, come elettroni e quark, durante il quale ci si pone interrogativi su cosa è, ad esempio, la massa. Ricordiamo che la prima definizione scientifica della massa risale al 1687 quando Newton, nei suoi Principi matematici della filosofia naturale, affermava che la massa è una sorta di misura della densità di materia contenuta nei corpi. Oggi, le moderne conoscenze sul concetto di massa sono alquanto più complicate rispetto alla definizione data da Newton e sono descritte dal modello standard mediante le leggi della meccanica quantistica. Per ogni tipo di particella elementare, o composta, possiamo scrivere l’equazione di Newton, F = ma, che correla la forza, la massa e l’accelerazione. Tuttavia, la massa, come di solito la intendiamo, va al di là dell’equazione di Newton. Per esempio, la teoria della relatività speciale  prevede che le particelle senza massa viaggiano nel vuoto alla velocità della luce e che invece le particelle che hanno massa si muovono più lentamente e perciò con una velocità che può essere calcolata se conosciamo la loro massa. Le particelle elementari hanno una sorta di massa intrinseca, detta massa a riposo , e quelle che hanno massa a riposo nulla sono le particelle senza massa, come ad esempio i fotoni. Per una particella complessa, come il protone, la massa a riposo dei costituenti e la loro energia cinetica, relativa al moto, e l’energia potenziale, relativa alle interazioni, contribuiscono alla massa totale della particella. E’ noto che massa ed energia sono correlate così come descritto dalla famosa equazione di Einstein, E = mc². Un esempio di come l’energia contribuisce alla massa si può vedere nella forma di materia a noi più familiare costituita dai protoni e dai neutroni che formano i nuclei atomici, i pianeti, le stelle, gli esseri viventi e tutto ciò che vediamo. Queste particelle costituiscono circa il 4% circa della massa-energia presente nell’Universo. Il modello standard ci dice che i protoni e i neutroni sono composti da particelle più elementari, chiamate quark, che sono a loro volta legate grazie all’interazione di particelle senza massa chiamate gluoni. Sebbene i quark vi si muovono all’interno, noi osserviamo il protone come un oggetto coerente che ha una massa intrinseca che è data dalla somma delle masse e delle energie dei suoi costituenti. Perciò il modello standard ci permette di calcolare le masse dei protoni e dei neutroni dall’energia cinetica dei loro costituenti. Dunque, il 4% circa dell’intero Universo è composto dall’energia del moto dei quark e dei gluoni che sono presenti nei protoni e neutroni e che costituiscono la materia ordinaria che conosciamo. E tutto il resto cos’è? Finora non lo sappiamo e l’ignoranza dei fisici su questo argomento ha fatto nascere termini come materia scura o energia scura che costituiscono insieme il 96% di ciò di cui è fatto il nostro Universo. La fisica contemporanea viene qui raccontata da uno dei suoi massimi esponenti che, indagando la struttura della materia, nella sua più profonda essenza, cerca di fornirci un quadro coerente e un nuovo mondo che sarà soggetto a verifiche sperimentali soprattutto con gli esperimenti presso LHC.