SMASH, un ‘frullatore’ di teorie

Cinque dei più grandi problemi della fisica fondamentale potrebbero essere risolti in un solo colpo. È quanto emerge da uno studio guidato da Guillermo Ballesteros dell’Università di Paris-Saclay in Francia e collaboratori che propongono un nuovo modello, denominato SMASH e basato sul modello standard della fisica delle particelle elementari, per spiegare la materia scura, l’oscillazione del neutrino, la bariogenesi, l’inflazione cosmica e la simmetria carica-parità (CP).

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Quei ‘fossili’ cosmici dell’Universo primordiale

Circa 13,8 miliardi di anni fa, il nostro Universo emerse da una sorta di “puntino quantico” il cui volume si espanse, secondo alcune stime, di un milione di trilioni di trilioni di trilioni di trilioni di trilioni di trilioni di volte in meno di un miliardesimo di un trilionesimo di trilionesimo di secondo. Da qui in poi, l’Universo continuò ad espandersi ad un ritmo meno violento, almeno secondo le leggi della fisica così come le conosciamo. Questa è la storia dell’inflazione cosmica, la versione più moderna del modello del Big Bang. Questa singola fase di rapida espansione esponenziale dell’Universo descrive molto bene gli attuali dati cosmologici e tiene conto dell’immensità dello spazio, della sua regolarità e forma geometrica spazialmente piatta su larga scala e della mancanza di direzioni privilegiate. Tuttavia, l’inflazione non spiega come e perchè abbia avuto inizio l’Universo. Le domande che essa solleva, e cioè perchè si ebbe questa rapida espansione dello spazio, come sia avvenuta o che cosa sia eventualmente accaduto prima, hanno confuso gli scienziati sin da quando venne proposta la teoria negli anni ’80.

Dalle nane bianche probabili indizi sulla ‘relazione’ bosone di Higgs-gravità

La scoperta del bosone di Higgs ha rappresentato un importante passo in avanti verso la comprensione del meccanismo mediante il quale le particelle acquisiscono la propria massa (post). Ora, dal momento che la massa è determinante per la gravità, la particella di Higgs potrebbe rivelarci preziosi indizi sulla natura stessa dell’interazione gravitazionale. In tal senso, è stata avanzata una ipotesi secondo la quale il campo di Higgs potrebbe accoppiarsi con una specifica curvatura dello spaziotempo, uno scenario che è stato preso in considerazione in varie estensioni del modello standard.

Alla ricerca di evidenze ‘sperimentali’ a favore del multiverso

Il Big Bang rappresenta il più grande enigma della moderna cosmologia, cioè la singolarità iniziale che ha dato origine al nostro Universo. Qui, le leggi della fisica, almeno come noi le conosciamo, vengono meno e ad oggi non siamo in grado di descrivere esattamente cosa sia avvenuto.

Evidenze di SUSY nella mappa di Planck?

Secondo alcuni scienziati, la radiazione cosmica potrebbe celare dei segnali correlati alla supersimmetria, aprendo così una ulteriore finestra per lo studio della materia scura. Secondo il modello dell’inflazione cosmica, l’Universo primordiale subì un periodo di rapida espansione esponenziale durante il quale in una piccolissima frazione di secondo un campo di forze, detto inflatone, diede forma e volume all’Universo. Questo meccanismo produsse delle fluttuazioni quantistiche che sono state impresse come minuscole variazioni di temperatura che si osservano nella mappa della radiazione cosmica di fondo (post). Gli scienziati che lavorano alle teorie che sono delle estensioni del modello standard delle particelle elementari ritengono che l’inflazione sia stata accompagnata da altri campi di forza. La supersimmetria è una di queste teorie che postula l’esistenza di superparticelle o s-particelle, che non sono state ancora osservate, associate ad ogni particella nota. Ogni s-particella ha un corrispondente campo di forza che sarebbe stato presente durante le fasi iniziali dell’evoluzione cosmica e perciò dovrebbe aver lasciato le sue tracce impresse nella mappa della radiazione cosmica. Secondo Lingfei Wang e Anupam Mazumdar della Lancaster University, che stanno lavorando a questa ipotesi, emergono altri problemi poiché non è ancora chiaro che cosa facessero questi campi di forza durante le fasi iniziali della storia dell’Universo. Una possibile spiegazione è che questi campi di forza aggiuntivi possano aver avuto il ruolo di ‘spettatori’, incapaci comunque di modificare il processo dinamico dell’inflazione cosmica ma rimanendo sempre nei dintorni, per così dire, in modo da lasciare una traccia della loro presenza. Le fluttuazioni dovute a queste ‘componenti-spettatori’ sarebbero state molto più grandi rispetto a quelle lasciate dall’inflazione. Può darsi che siano proprio questi campi aggiuntivi, e non l’inflazione, i responsabili delle strutture a forma di ‘macchie’ nella mappa della radiazione cosmica. Dunque, la verifica sperimentale è quella di capire come esse sono distribuite nella mappa: in altre parole, se esse sono state causate da fluttuazioni di campi multipli allora la loro distribuzione non dovrebbe apparire esattamente di tipo gaussiano. Lo scienziato è comunque convinto che la presenza di campi multipli crei lo stesso effetto che produce un singolo campo di forze. Al momento è difficile capire se la distribuzione delle fluttuazioni abbia o meno una distribuzione gaussiana e perciò rimane ancora possibile, almeno in via teorica, che delle tracce dovute all’esistenza di s-particelle siano presenti nella mappa della radiazione cosmica. Bisogna dire, però, che al momento i dati di Planck sembrano escludere un eventuale collegamento che porti alla supersimmetria, anche se non viene del tutto escluso. Occorreranno altri esperimenti, come lo Square Kilometer Array (SKA) che dovrebbe essere operativo non prima del 2020, e se esisterà davvero la possibilità di verificare l’esistenza di una correlazione tra l’inflazione cosmica e la supersimmetria allora avremmo fatto davvero un passo da gigante.

arXiv: Cosmological perturbations from a 'Spectator' field during inflation

Un solo universo o infiniti universi?

Ricollegandomi al precedente post sul tema degli universi multipli, dove ho discusso il concetto di multiverso, volevo segnalare oggi l’interessante libro di Alex Vilenkin, Un solo mondo o infiniti? Alla ricerca di altri universi, edito da Cortina Raffaello .

Vilenkin è uno dei cosmologi di fama mondiale. Egli ha scritto una lunga serie di articoli che riguardano il modello dell’espansione inflazionistica che si basano sull’idea secondo cui l’Universo potrebbe contenere alcuni difetti topologici dovuti a transizioni di fase, così come vengono descritte dalla teoria delle particelle  e dalla cosmologia quantistica. Oggi il modello inflazionistico mette in risalto una serie di domande quali: Perché lo stato fisico primordiale era così caldo e denso? Come e perché l’Universo si è espanso? Cosa c’era prima del Big Bang? “Il nostro orizzonte cosmico è di 13,7 miliardi di anni-luce e oltre questo orizzonte ci potrebbero essere, forse, altri universi con leggi fisiche completamente diverse dal nostro“, dice Vilenkin. A differenza dei suoi predecessori, egli promuove il concetto d’inflazione eterna e le sue implicazioni che essa determina per il principio antropico. L’idea di Vilenkin è che l’inflazione abbia avuto un inizio ma rimane eterna, producendo in continuazione universi paralleli come vere e proprie “bolle cosmiche”. “Si ritiene che l’inflazione sia quasi terminata nella nostra regione di Universo mentre invece continua in altre regioni dello spaziotempo dando luongo ad un numero infinito di bolle“, aggiunge Vilenkin. Quasi metà del libro è dedicato alla descrizione del modello cosmologico standard e la sua estensione all’espansione inflazionistica. In molti modelli inflazionistici c’è un argomento associato alle fluttuazioni quantistiche di un campo scalare, l’inflatone, per cui ci saranno sempre regioni dello spaziotempo che sono soggette all’inflazione e altre in cui essa non avviene e, in un sottoinsieme di queste, esisteranno universi che hanno proprietà piuttosto simili al nostro Universo. Dunque, date le assunzioni basi della teoria quantistica dei campi, l’inflazione eterna sembra quel processo più ragionevole rispetto ai tanti modelli inflazionistici proposti anche se non è del tutto assodato. Se l’inflazione eterna ha luogo, allora Vilenkin è convinto che esisteranno infinite configurazioni di universi ognuno dei quali saranno caratterizzate da proprie costanti fisiche della natura. Se tutto questo poi sia vero oppure no dipenderà dal modello, dalla natura stessa del campo inflatone e dai dettagli della teoria quantistica della gravità. A tal proposito, Vilenkin affronta una parte del libro dando una breve descrizione della teoria delle stringhe. Ma a mio parere, non ci dobbiamo dimenticare che la Fisica è una disciplina osservativa, basata sul metodo sperimentale. Oggi non siamo in grado di osservare altri big bang o regioni di spazio soggette ad una eventuale inflazione. Se queste esistono, si troveranno comunque al di fuori del nostro orizzonte osservativo, perciò sarà difficile verificare la loro presenza.

Oscilloni, le fluttuazioni dell’Universo primordiale

La figura mostra una simulazione delle perturbazioni primordiali note come oscilloni. Queste fluttuazioni avrebbero avuto luogo nella fase successiva al periodo inflazionistico.
Credit: Amin, et al. ©2012 American Physical Society

Onde ben localizzate che emergono e scompaiono senza dissipare energia, note come “oscilloni”, potrebbero aver dominato l’Universo primordiale subito dopo la fase inflazionistica. E’ quanto emerge da studi recenti condotti da alcuni fisici del MIT, dell’Università di Yale e dall’Università di Stanford che hanno realizzato una serie di simulazioni basate su diversi modelli inflazionistici. I risultati suggeriscono la formazione di una notevole quantità di oscilloni che potrebbero aver causato la formazione di ulteriori effetti gravitazionali durante le fasi iniziali della storia evolutiva dell’Universo, anche se non è ancora chiaro il fatto che tali effetti possano essere osservati direttamente oggi.

Così come viene spiegato nel loro articolo, queste onde denominate oscilloni sono eccitazioni massicce, di lunga durata, di un campo scalare e sono ben localizzate cioè non si disperdono come le solite perturbazioni prodotte dalla caduta, ad esempio, di un sasso in uno stagno. La particolarità di queste fluttuazioni è che esse possono essere presenti, in questo caso hanno la forma di una collina, o assenti, in questo caso hanno la forma di un cratere, mantenendo sempre lo stato del campo spazialmente uniforme. Inoltre, è stato notato che se non vengono disturbati, gli oscilloni possono continuare ad emergere e a scomparire oscillando per centinaia di migliaia di volte. Ma il risultato più importante che emerge dalle simulazioni è che il periodo successivo all’inflazione, cioè la fase di rapida espansione esponenziale che accadde subito dopo il Big Bang, viene seguito da una fase di auto-risonanza che genera un grande numero di oscilloni. E’ come se alla fine del periodo inflazionistico l’energia del campo inflatone, cioè il campo che ha causato l’inflazione producendo uno stato di oscillazione sincronizzata ed omogenea, andasse a frammentarsi formando tanti piccoli stati instabili e disomogenei: è proprio questo passaggio che i fisici chiamano auto-risonanza. Infine, le simulazioni suggeriscono che gli oscilloni sarebbero esistiti per un tempo necessario affinchè il volume di spazio aumentasse di un fattore 100 o, forse, più. Questo periodo dominato dalla presenza degli oscilloni potrebbe alterare la nostra visione dell’Universo tra l’epoca in cui termina l’inflazione e quella in cui diventa dominante la radiazione elettromagnetica. Infine, gli scienziati hanno trovato che questa fase dominata dagli oscilloni primordiali avrebbe influito anche sulle fluttuazioni di densità accelerando, per così dire, con la comparsa di nuovi effetti gravitazionali quei processi che portarono alla formazione delle prime strutture cosmiche.

ArXiv: Oscillons after Inflation

Higgs o non Higgs, questo è il problema!

L’immagine mostra la simulazione al rivelatore ATLAS relativa al decadimento di un bosone di Higgs che determina la produzione di due raggi-gamma.
Credit: CERN/LHC

Il prossimo 4 luglio il CERN organizzerà a Ginevra un seminario allo scopo di annunciare gli ultimi risultati dei due più importanti esperimenti del Large Hadron Collider (LHC), ATLAS e CMS, in merito alla ricerca del bosone di Higgs. I fisici saranno dunque in attesa di capire che cosa è stato effettivamente osservato [LIVE WEBCAST].

“Non sappiamo ancora cosa accadrà mercoledì 4 luglio”, afferma Ian Hinchliffe, un fisico teorico della Divisione di Fisica presso il Dipartimento di Energia del Lawrence Berkeley National Laboratory a capo del gruppo dei fisici americani nell’ambito della partecipazione all’esperimento ATLAS. “Credo che si tratti di un momento molto importante al CERN e, forse, siamo arrivati ad un primo traguardo dopo tanti anni di intenso lavoro”. Lo scorso Dicembre, entrambi i rivelatori riportarono due segnali, con un leggero eccesso rispetto al rumore di fondo, consistenti con quanto ci si aspetta per il bosone di Higgs. Nella primavera di quest’anno, gli esperimenti di LHC sono ripartiti con un livello di energia più alto e i dati sono raddoppiati. Tuttavia, anche se entrambi gli esperimenti dovessero confermare ciò che hanno rivelato lo scorso anno con i nuovi dati, nessuno è certo di affermare che si tratti in definitiva del bosone di Higgs. Ma alcuni scienziati si pongono nuove domande sulle implicazioni che la scoperta o meno del bosone di Higgs possa avere, oltre a spiegare l’origine della massa delle particelle, per risolvere uno dei più grandi enigmi della cosmologia moderna: l’inflazione cosmica. I cosmologi ritengono che la particella o il campo di forze che si cela dietro l’inflazione, l’inflatone, abbia una proprietà alquanto insolita: esso genera un campo gravitazionale repulsivo. Per far sì che lo spazio aumenti il proprio volume in un intervallo di tempo molto piccolo, i teorici ipotizzano che l’energia del campo deve essersi modificata attraverso lo spazio nel corso tempo, cioè da un valore elevato ad un valore più basso quando alla fine del processo l’espansione inflazionistica è terminata. Ora, il punto è che non sappiamo ancora molto sull’inflazione e alcuni critici si domandano se effettivamente sia avvenuta. Per discriminare tra vari scenari, i cosmologi hanno cominciato ad analizzare i dati della radiazione cosmica di fondo che, però, non ci permettono di avere indizi definitivi sulla natura stessa dell’inflazione cosmica. Altri teorici, invece, ritengono che LHC potrebbe essere la chiave di svolta per capire se il periodo della rapida espansione esponenziale dello spazio sia effettivamente avvenuto, anche se alcuni scettici sono convinti che ciò non sarà possibile in quanto le energie in gioco per poter “verificare” l’inflazione sono dell’ordine di 10⁵⁰ volte superiori a quelle di LHC. Ma dato che l’intensità del campo inflatone si è modificata diminuendo nel corso del tempo, gli scienziati ritengono che LHC abbia comunque quell’energia necessaria per riprodurre i momenti finali dell’epoca inflazionistica. “L’idea che il bosone di Higgs possa guidare l’inflazione è possibile solo se la sua massa cade all’interno di un determinato intervallo di valori che sono osservabili da LHC”, spiega Mikhail Shaposhnikov della École Polytechnique Fédérale di Lausanne in Svizzera. Inoltre, c’è da dire che non solo il campo inflatone ma anche il campo di Higgs si è modificato nel tempo. Ora, l’inventore, per così dire, della teoria inflazionistica, Alan Guth, ha assunto originariamente che l’inflazione fosse guidata da un campo di Higgs che emerge nell’ambito di una teoria di grande unificazione. La parte interessante dei modelli inflazionistici che si basano sul campo di Higgs è che tali modelli potrebbero spiegare l’inflazione proprio nell’ambito del modello standard delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali. Tuttavia, quando si prendono in considerazione questi modelli, l’energia del campo di Higgs decresce troppo rapidamente e perciò non è in grado di generare quelle fluttuazioni che sono osservate nella radiazione cosmica di fondo. Dunque, occorre ammettere l’esistenza di altri campi per tener conto di tutti gli effetti dovuti all’inflazione. Ad esempio, un modello inflazionistico di Higgs proposto da Shaposhnikov e Fedor Bezrukov dell’University of Connecticut elimina il problema di introdurre campi di forze extra e suggerische che Higgs interagisce con la gravità in maniera diversa rispetto alle altre particelle. Ciò permetterebbe al campo di Higgs di mantenere la sua energia più a lungo in modo da determinare l’Universo che osserviamo oggi. Anupam Mazumdar della Lancaster University in Inghilterra suggerisce, invece, che altre particelle potenzialmente rivelate da LHC potrebbero fornirci nuovi indizi sull’inflazione. Questi modelli alternativi si basano sulla supersimmetria, la teoria che correla i due tipi fondamentali di particelle, cioè i fermioni e i bosoni. La rivelazione da parte di LHC delle cosiddette “s-particelle” sarebbe un passo importante per la soluzione di un altro grande enigma della cosmologia legato alla materia scura di cui il neutralino, un tipo di s-particella, potrebbe essere un buon candidato. Secondo Mazumdar, se l’inflatone è una s-particella allora l’energia del campo inflatone deve essere terminata con un valore basso di densità di energia potenzialmente rivelabile da LHC; nel caso contrario, l’inflatone può aver generato un rapporto di densità di materia normale su materia scura più basso rispetto a quello che osserviamo oggi nell’Universo. “In definitiva, se LHC rivelerà il bosone di Higgs e nient’altro, per me l’inflazione può essere spiegata in termini del campo di Higgs”, afferma Shaposhnikov. “Se poi LHC rivelerà le particelle supersimmetriche o un nuovo fenomeno fisico, secondo me il modello non sarà poi così attraente. Vedremo cosa accadrà dopo il seminario del 4 luglio!”. Ad ogni modo, Guth crede che molto probabilmente l’energia del campo inflatone vada ben al di là di quelle che sono le capacità di LHC. “Anche se non lo sappiamo, rimane tuttavia molto eccitante il fatto che LHC possa rivelare quei campi di forze che hanno causato l’inflazione” dichiara Guth.

Certo è che qualsiasi notizia arrivi dal CERN il prossimo 4 luglio, gli indizi e le indicazioni finora ottenuti sono proprio all’inizio della ricerca del bosone di Higgs. Si tratta di un lungo viaggio di scoperte verso una fisica ancora inesplorata nell’ambito della supersimmetria, della materia scura, dei mini buchi neri, delle dimensioni extra dello spazio e di altri fenomeni di cui ignoriamo totalmente la loro origine e natura [LIVE WEBCAST].

Per approfondire questo ed altri argomenti: Enigmi Astrofisici – Dal Big Bang al Multiverso