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Il CERN va in ‘letargo’ prima di risvegliarsi per una nuova ‘caccia quantistica’

Credit: LHC/CERN

Sette mesi dopo l’annuncio della scoperta di una nuova particella che sembra avere le proprietà consistenti con quelle del bosone di Higgs, i fisici del CERN si prenderanno un periodo di pausa prima di rituffarsi nella ricerca verso l’ignoto.

Da qualche giorno, gli strumenti sono passati nella modalità offline in modo da eseguire tutta una serie di operazioni che dureranno circa 18 mesi. Lo scorso mese di Luglio, il CERN è stato il teatro di una straordinaria scoperta (post). Gli scienziati sostengono che si tratta al 99,9% del fantomatico bosone di Higgs, una particella fondamentale senza la quale le altre particelle, compresi gli esseri umani, non esisterebbero. Le operazioni di manutenzione e di aggiornamento permetteranno di aumentare la capacità energetica del Large Hadron Collider (LHC) essenziale non solo per confermare definitivamente che la nuova particella sia effettivamente il bosone di Higgs ma anche per esplorare nuove dimensioni al fine di verificare se esistono le particelle supersimmetriche ed in particolare quelle che costituiscono la materia scura. “L’obiettivo è quello di esplorare l’ignoto“, spiega Frederick Bordry, a capo del Dipartimento di Tecnologia del CERN. “Abbiamo ciò che pensiamo sia il bosone di Higgs e tutte le teorie sulla supersimmetria e così via. Abbiamo bisogno di aumentare l’energia di collisione tra le particelle in modo da guardare più in profondità i fenomeni della fisica. E’ come andare in un territorio sconosciuto“. Ipotizzato nel 1964 dal fisico britannico Peter Higgs, il bosone di Higgs è conosciuto comunemente e fantasiosamente anche come la “particella di dio”, così definita da Leon Lederman. Higgs calcolò che un campo di bosoni poteva spiegare una anomalia fastidiosa: perché alcune particelle hanno massa mentre altre non ne hanno, come ad esempio i fotoni che costituiscono la luce? Questo problema rappresentava una lacuna nel Modello Standard, il quadro teorico che descrive le proprietà ed il comportamento delle particelle elementari e le interazioni fondamentali. Una idea è che il bosone di Higgs si sia originato quando l’Universo ha cominciato a  raffreddarsi subito dopo il Big Bang circa 14 miliardi di anni fa. Per quanto riguarda la supersimmetria, i fisici ritengono che debbano esistere altre particelle, più pesanti, che sono le rispettive ‘controparti’ delle particelle note del Modello Standard. Questo quadro può, a sua volta, spiegare l’esistenza della materia scura, una componente enigmatica che rappresenta il 23% circa del contenuto materia-energia dell’Universo e la cui presenza può essere rivelata solo indirettamente attraverso i suoi effetti gravitazionali. “Il gioco è quello di far collidere le particelle per trasformare l’energia liberatasi in massa. In questo modo, si creano nuove particelle e cerchiamo di capire che cosa sono“, dice Bordry. “In altre parole, si tratta di ricreare il primo microsecondo subito dopo il Big Bang”. Nel corso degli ultimi tre anni, il CERN ha fatto collidere protoni più di sei milioni di miliardi di volte. Cinque miliardi di collisioni hanno prodotto risultati confortanti per successive ricerche mentre i dati ottenuti da sole 400 collisioni hanno spianato la strada verso la rivelazione del bosone di Higgs. Nonostante l’arresto, i ricercatori del CERN certamente non staranno a guardare in quanto dovranno analizzare una grande mole di dati. “Penso che tra un anno, avremo maggiori informazioni sui dati raccolti nel corso degli ultimi tre anni“, dichiara Bordry. “Forse la conclusione sarà che abbiamo bisogno di più dati“. L’anno scorso, LHC ha raggiunto un livello di energia di collisione pari a 8 TeV partendo da 7 TeV nel 2011. Una volta che LHC ritornerà operativo nel 2015, l’obiettivo sarà quello di arrivare a 13 TeV o addirittura a 14 TeV considerando che LHC dovrebbe funzionare per almeno tre o quattro anni prima di un nuovo arresto. Il costo netto per le operazioni di  aggiornamento e manutenzione viene stimato essere vicino a 50 milioni di franchi svizzeri.

CERN: Long Shutdown: Exciting times ahead
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L’interazione ‘bosone di Higgs-gravità’ e l’unificazione delle forze della natura

Alcuni fisici dell’Università del Sussex hanno fatto un piccolo passo avanti al fine di verificare l’esistenza di una unica forza fondamentale della natura, che fu il sogno di Albert Einstein (vedasi Idee sull’Universo).

Dopo l’annuncio dello scorso mese di Luglio della scoperta di una ‘nuova particella’ che sembra avere le proprietà consistenti con quelle del bosone di Higgs (post), un gruppo di ricercatori guidati da Xavier Calmet hanno analizzato per via teorica il comportamento del campo di Higgs con la gravità. Oltre a dare massa a tutte le particelle conosciute, è possibile che il bosone di Higgs abbia svolto un ruolo significativo nell’espansione dell’Universo dopo il Big Bang. “L’annuncio da parte dei fisici del Cern è stato molto emozionante. Stiamo cercando di capire se questa particella si comporta come viene previsto dalla teoria e primi risultati sembrano essere promettenti“. Manipolando le equazioni e utilizzando i dati del Large Hadron Collider, gli scienziati sono stati in grado di porre dei limiti all’interazione “bosone di Higgs-gravità”. “La scoperta di questo nuovo bosone scalare ha profonde implicazioni per quelle teorie sulla gravità che tentano di spiegare l’evoluzione del nostro Universo“, spiega Calmet. “Il sogno di Einstein, che stiamo ancora cercando di realizzare, consiste nell’unificare le interazioni fondamentali della natura all’interno di un unico quadro. L’idea è che vi sia, in natura, una sola forza fondamentale e che le altre forze siano solo diversi aspetti di questa unica forza fondamentale della natura“. Insomma, comprendere le proprietà di questa nuova particella, che pare essere un ‘sosia’ del bosone di Higgs, e in particolare le sue interazioni gravitazionali saranno determinanti verso la grande unificazione delle forze della natura.

University of Sussex press release: New Sussex study furthers Einstein’s ‘theory of everything’

arXiv: Bounds on the Nonminimal Coupling of the Higgs Boson to Gravity

Una teoria ‘rivoluzionaria’ sulla materia scura

Are Raklev. Credit: Yngve Vogt

Che l’Universo sia composto da circa il 23% di materia scura ormai lo sanno tutti. Ma nessuno sa ancora di che cosa consiste questa componente enigmatica. Oggi, però, alcuni fisici dell’Università di Oslo hanno lanciato una sfida per tentare di dare una spiegazione matematica alquanto difficile che potrebbe risolvere una volta per tutte questo enigma astrofisico.

Il mistero della materia scura dura ormai da circa 80 anni e, forse, la soluzione di questo enigma potrebbe essere proprio dietro l’angolo. “Siamo alla ricerca di un nuovo membro dello zoo di particelle per spiegare la materia scura. Siamo convinti che si tratti di una particella molto esotica. E, forse, abbiamo trovato una spiegazione plausibile”, spiega Are Raklev, un professore associato di fisica delle particelle del Dipartimento di Fisica dell’Università di Oslo. Raklev ha presentato un modello che tenta di spiegare ciò che potrebbe essere la materia scura. Anche se essa è invisibile, gli scienziati sanno che esiste. Infatti, senza questa componente sarebbe impossibile spiegare la formazione delle strutture cosmiche. “Anche se siamo in grado di determinare quanta materia scura esiste nell’Universo, sappiamo ancora molto poco sulla sua vera origine e natura. Le particelle di materia scura devono essere pesanti oppure ce ne devono essere in grande quantità. Tra le varie particelle candidate i neutrini hanno tutti i requisiti giusti ma la loro massa è troppo piccola“. Il lavoro di Raklev è quello di dimostrare che la materia scura sia costituita dal gravitino, un’ipotetica particella elementare, il cui partner supersimmetrico è il gravitone, che emergerebbe dalle teorie che tentano di unificare la relatività generale e la supersimmetria. “Il gravitino è l’ipotetica particella il cui partner supersimmetrico è il gravitone, anch’esso una particella ipotetica” spiega Raklev.

Dunque, per capire meglio le ragioni per cui Raklev ritiene che la materia scura sia composta da gravitini, dobbiamo fare alcune considerazioni:

1 : Uno degli obiettivi dei fisici è quello di scoprire se la natura è supersimmetrica, cioè se esiste una simmetria tra particelle e interazioni fondamentali. Per ogni tipo di elettrone e quark corrisponde un partner supersimmetrico, più pesante. Si ritiene che le particelle supersimmetriche siano state create subito dopo il Big Bang. Se alcune di loro sono sopravvissute fino ad oggi, forse potrebbero costituire la materia scura. Il partner supersimmetrico del gravitino è il gravitone. “Un gravitone è la particella che media la forza di gravità, proprio come il fotone, la particella di luce, media la forza elettromagnetica. Mentre i gravitoni non hanno massa, i gravitini possono essere molto pesanti. Dunque se la natura è supersimmetrica e i gravitoni esistono, allora anche i gravitini devono esistere e viceversa. Questa è matematica pura”. Ma c’è un problema. I fisici non possono dimostrare la relazione tra gravitoni e gravitini prima che non siano state unificate tutte le forze della natura.

2 : Un altro obiettivo di fondamentale importanza è quello di unificare tutte le forze della natura in un’unica teoria. Verso la metà del secolo scorso i fisici scoprirono che l’elettricità e il magnetismo erano due aspetti diversi della stessa interazione che fu successivamente chiamata elettromagnetismo. Esistono poi altre due interazioni, la forza nucleare forte e la forza nucleare debole. La forza nucleare debole è associata alla radioattività. La forza nucleare forte, che è circa dieci miliardi di volte più intensa, lega insieme protoni e neutroni. Durante gli anni ’70, l’elettromagnetismo entrò nel quadro del modello standard assieme alle altre due forze, nucleare forte e nucleare deboli. La quarta forza fondamentale della natura è la gravità. Si tratta dell’interazione più debole in termini di intensità che i fisici non sono ancora in grado di unificare con le altre tre forze della natura. Oggi, i teorici sono impegnati a formulare una teoria che un giorno, si spera, permetterà di descrivere tutte le interazioni fondamentali tra le particelle elementari. I fisici chiamano questa teoria la “teoria del tutto”. “Al fine di unificare la forza gravitazionale con le altre tre forze della natura, dobbiamo descrivere la gravità su scale subatomiche. Ciò significa che abbiamo bisogno di una teoria in cui sia incluso anche il gravitone“.

Per dirla in breve, lo studio della materia scura è molto complicato e uno dei motivi principali è che essa non interagisce dal punto di vista elettromagnetico con le particelle terrestri. Abbiamo detto che una particella candidata è il neutrino. Forse, i neutrini costituiscono solo una parte infinitesimale della materia scura. Sappiamo che diversi miliardi di neutrini attraverso il nostro corpo ogni secondo. Tuttavia, la loro velocità è piuttosto limitata. Di fatto, queste particelle elusive si muovono così lentamente come la velocità con cui il Sistema Solare orbita attorno alla Via Lattea, circa 400 chilometri al secondo. “Quando non ci sono interazioni con le particelle elettromagnetiche visibili, i neutrini possono attraversare il nostro corpo senza che nessun strumento li riveli. Qui è proprio dove entra in gioco la supersimmetria. Se la teoria è corretta, allora i fisici potranno spiegare perché vi è materia scura nell’Universo. E questa è la parte divertente del mio lavoro”, afferma Raklev. “La supersimmetria semplifica tutto. Se un giorno sarà possibile unificare le quattro forze della natura, allora i gravitini dovranno far parte dello zoo delle particelle“. I gravitini si sarebbero formati subito dopo il Big Bang. “Subito dopo il Big Bang si è originata una ‘zuppa di particelle’ che erano continuamente in collisione. I gluoni, le particelle che mediano la forza nucleare forte, entrarono in collisione con altri gluoni per produrre gravitini. Perciò molti gravitini si sarebbero formati dopo il Big Bang mentre l’Universo si trovava ancora in uno stato di plasma. Dunque abbiamo una spiegazione del perché esistono i gravitini“.

Tuttavia, i fisici hanno visto i gravitini come un problema teorico. Essi ritengono che la teoria della supersimmetria non funziona perché ci sono troppi gravitini. “I fisici hanno quindi cercato di eliminare i gravitini dai loro modelli. Noi, invece, abbiamo trovato una nuova spiegazione che unifica la supersimmetria con la materia scura costituita di gravitini. Se la materia scura non è stabile, ma esiste da lungo tempo, c’è un modo di spiegare perchè la materia scura consista di gravitini“. Negli altri modelli, la materia scura viene considerata sempre eterna. Questo significa che i gravitini rappresentano una parte problematica della supersimmetria. Nel modello di Raklev, i gravitini non durano in eterno e la loro vita media è molto lunga, addirittura più lunga dell’età dell’Universo. Tuttavia, vi è una notevole differenza tra una vita senza fine e una età superiore a 14 miliardi di anni. Se il tempo di vita è lungo ma limitato, i gravitini possono trasformarsi in altre particelle. È proprio questo effetto di trasformazione che può essere misurato per  spiegare così il modello. “Noi siamo convinti che quasi tutta la materia scura sia composta da gravitini e la spiegazione di ciò si basa su una formulazione matematica molto complessa. Stiamo sviluppando modelli speciali che consentano di prevedere in che modo queste particelle possano essere osservate negli esperimenti“.

I ricercatori stanno cercando di verificare sperimentalmente l’esistenza di queste particelle ed è questo il motivo per cui i gravitini non stati ancora rivelati al CERN. “Forse, potrebbero essere osservati nello spazio“, spiega Raklev. Il modo più semplice per rivelare i gravitini potrebbe essere quello di studiare cosa succede quando due particelle collidono nell’Universo e vengono trasformate in altre particelle sottoforma di fotoni o antimateria. Anche se le collisioni avvengono molto raramente, c’è ancora tanta materia scura nello spazio per cui ci aspettiamo che venga prodotto un numero significativo di fotoni. Il problema principale è che i gravitini non interagiscono. Ma c’è una speranza. “Fortunatamente per noi, i gravitini non sono al cento per cento stabili. Ad un certo punto, essi vengono trasformati in qualcosa d’altro. Oggi siamo in grado di prevedere come può apparire il segnale una volta che i gravitini siano stati trasformati in altre particelle. Questo processo di conversione causerà l’emissione di un’onda elettromagnetica, cioè raggi gamma“. Attualmente, il telescopio spaziale Fermi sta misurando i raggi gamma associati alle sorgenti di alta energia. “Finora abbiamo visto solo il rumore. Ma alcuni ricercatori affermano di aver osservato un piccolo eccesso  di raggi gamma sospetto proveniente dal centro della nostra galassia. Forse, i loro dati potrebbero descrivere bene il nostro modello”, conclude Raklev.

University of Oslo press release: Revolutionary theory of dark matter

arXiv: Cosmic Ray Signatures from Decaying Gravitino Dark Matter

arXiv: Photon, Neutrino and Charged Particle Spectra from R-violating Gravitino Decays

arXiv: Constraining the MSSM with Dark Matter indirect detection data

arXiv: Massive Metastable Charged (S)Particles at the LHC

arXiv: Physics Beyond the Standard Model: Supersymmetry

Una lista di avvenimenti importanti del 2012

Quella che segue è una selezione di fatti e avvenimenti che hanno caratterizzato la ricerca nel campo della fisica e dell’astronomia durante il 2012. L’ordine non segue necessariamente la cronologia.

Galassie nane e formazione stellare

NASA/ESA/A. van der Wel (Max Planck Institute for Astronomy)/H. Ferguson and A. Koekemoer (Space Telescope Science Institute)/The CANDELS team

Le galassie nane vissute tra i 9 e 10 miliardi di anni fa hanno subito un violento incremento di formazione stellare il che implica che molte, se non la maggior parte, delle stelle in queste galassie si formano allo stesso modo di quelle presenti nell’Universo di oggi.

Galassie nane, laboratori ideali per comprendere l’evoluzione dell’Universo

Curiosity arriva su Marte

NASA/JPL-Caltech/MSSS

Quei famosi sette minuti di terrore del Mars Science Laboratory diventano una conquista della tecnologia terrestre tra il 5 e il 6 Agosto una volta che il rover Curiosity discende senza problemi sulla superficie del pianeta rosso.


Spiato il getto di un super buco nero

J.A. Biretta, W.B. Sparks, F.D. Macchetto, E.S. Perlman (STScI)

Grazie ad una serie di osservazioni radio da terra, gli astronomi riescono ad osservare la parte basilare del getto nella galassia M87.

M87, le prime misure dirette del disco di accrescimento attorno al buco nero
M87, un buco nero della categoria ‘super massimi’

Esopianeti appartenenti a sistemi binari

Credit: Lynette Cook

Gli astronomi hanno rivelato nuovi mondi in orbita attorno a stelle binarie, alcuni in orbita attorno a stelle che non presentano elementi pesanti, altri invece sono sopravvissuti alla fase di gigante rossa.

Una nuova classe di sistemi planetari

L’origine delle supernovae

Credit: Astronomy: Roen Kelly

Una supernova di tipo Ia può originarsi da due meccanismi diversi e durante il 2012 sono emerse altre domande che hanno posto il punto sul problema energetico. Una conseguenza importante è che questa classe di supernovae è stata utilizzata per determinare il tasso di espansione dell’Universo.

Un tipo di supernova, due sorgenti diverse
Nuovi indizi sull’origine dei ‘calibratori’ di distanze cosmologiche
Il modello della ‘vedova bianca’ per spiegare la formazione delle supernovae di tipo Ia
 

LHC osserva una nuova particella consistente con il bosone di Higgs

Una delle tante collisioni protoni-protoni presso il rivelatore CMS.

Due rivelatori, ATLAS e CMS, trovano una nuova particella che sembra avere alcune proprietà consistenti con il bosone di Higgs, l’ultimo tassello mancante del modello standard che spiega la fenomenologia delle particelle elementari e le loro interazioni fondamentali.

 
L’importanza di essere, o non essere, il bosone di Higgs
LHC, che cosa hanno osservato ATLAS e CMS?

Le particelle di Majorana

Due particelle di Majorana (le due palline in arancione) si formano alle estremità di un ‘nanocavo’.

Si tratta di fermioni, particelle che sono anche le rispettive antiparticelle di se stesse. Furono proposte nel 1937 da Ettore Majorana. Oggi, i fisici ritengono che queste particelle potrebbero essere presenti in alcuni materiali che possiedono particolari proprietà topologiche, come ad esempio i materiali superconduttori o semiconduttori.

Il mistero delle particelle di Majorana

Asimmetria del tempo quantistico

Il rivelatore BaBar.

Grazie all’esperimento BaBar, i fisici hanno osservato la prima evidenza diretta della violazione della simmetria per inversione temporale misurando il tasso a cui il mesone B0 modifica gli stati quantistici. Si tratta di una verifica sperimentale diretta nel campo della fisica quantistica.

L’esperimento BaBar conferma l’asimmetria del tempo quantistico

Il moto degli ammassi di galassie

Gli ammassi di galassie ci forniscono tutta una serie di informazioni su come si è formato l’Universo non solo ma ci permettono di avere indizi fondamentali sull’origine e la natura della materia scura e dell’energia scura. Circa 40 anni fa, i fisici russi Rashid Sunyaev and Yakov Zel’dovich calcolarono che il moto degli ammassi di galassie poteva essere osservato misurando una lieve variazione di temperatura nella radiazione cosmica di fondo. Oggi, queste misure sono state riottenute con maggiore precisione grazie ad una serie di osservazioni realizzate con l’Atacama Cosmology Telescope (ACT) e la survey Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS).

Evidenze di un misterioso ‘flusso collettivo’ degli ammassi di galassie nell’Universo distante

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

Le leggi fisiche potrebbero ‘variare’ nell’Universo

L’immagine illustra la direzione dell’asse di dipolo proiettata nel cielo in coordinate equatoriali secondo i dati di Webb e collaboratori. La regione di color verde corrisponde alla direzione di dipolo derivata dagli spettri dei quasar osservati con il telescopio Keck. La regione in blu mostra la direzione del dipolo ottenuta con i soli spettri del VLT. La regione in rosso mostra la direzione del dipolo combinando i due insiemi di dati. Infine, la regione grigio chiara rappresenta la Via Lattea proiettata sul sistema equatoriale il cui nucleo è mostrato come un rigonfiamento.

Secondo uno studio condotto da alcuni ricercatori delle Università di New South WalesSwinburne e Cambridge è stato trovato che una delle leggi della natura, che riguarda le costanti della fisica, potrebbe variare nell’Universo.

Pare che una delle quattro forze fondamentali, l’elettromagnetismo, misurato mediante la cosiddetta costante di struttura fine alpha, vari da una parte all’altra dello spazio cosmico. In realtà, i primi segnali del fatto che alpha può essere considerata una *non costante* risalgono a circa una decina di anni fa quando John WebbVictor Flambaum e altri avevano analizzato i dati di un campione di quasar osservate con il telescopio Keck, anche se erano limitate ad una piccola porzione di cielo. Oggi, grazie al VLT, Webb e colleghi hanno raddoppiato il numero delle osservazioni e hanno misurato il valore di alpha in quasi 300 galassie che si trovano ad una enorme distanza dalla Terra e sono distribuite in una porzione di cielo più ampia. “I risultati sono sorprendenti a dir poco“, afferma il professor Webb, “ciò che osserviamo è che, rispetto alla nostra posizione, il valore di alpha sembra diminuire gradualmente verso una direzione piuttosto che in quella opposta“. Questi dati, se confermati, possono avere delle implicazioni importanti sulla natura e le proprietà dello spazio e del tempo dato che violano uno dei principi fondamentali della relatività generale. “Forse, questa variazione del valore di alpha suggerisce che l’Universo è molto più grande rispetto alla nostra porzione osservabile, magari infinito“, dichiara il professor Flambaum. Un’altra intepretazione si basa sull’ipotesi dei molti universi ognuno dei quali è caratterizzato da leggi fisiche proprie. Insomma, le leggi della fisica possono dipendere dal proprio “indirizzo cosmico” e da dove,  accade che emerge la vita nell’Universo.

Ma la domanda è: perchè le leggi della fisica sono tali da permettere l’esistenza della vita? “La risposta potrebbe derivare dal fatto che altre regioni dell’Universo non sono adatte alla vita, almeno come noi la conosciamo, e che le leggi della fisica che sperimentiamo nella nostra parte di Universo sono puramente ‘locali’ e in tal caso non è particolarmente sorprendente trovare forme di vita intelligenti” conclude Webb.

ArXiv: Evidence for spatial variation of the ne structure constant

Le tre frontiere della fisica fondamentale

Qual’è la natura dell’Universo? Cosa sono materia, energia, spazio e tempo? Scoprire di che cosa è fatto l’Universo e come funziona costituisce oggi la sfida più importante della ricerca in fisica delle particelle. Migliaia di scienziati provenienti da diversi paesi sono impegnati a collaborare insieme in vari esperimenti allo scopo di ottenere nuovi dati e risultati entusiasmanti.

Gli odierni e i futuri esperimenti in fisica delle particelle forniranno agli scienziati la possibilità di rispondere ad alcune domande fondamentali che sono alla base delle leggi fisiche che governano l’Universo. Questi interrogativi definiscono, in un certo senso, la strada verso cui procede la ricerca della fisica delle particelle nel XXI secolo: Esistono altri principi fisici che non abbiamo ancora scoperto, nuove leggi fisiche? Come possiamo risolvere il mistero dell’energia scura? Esistono effettivamente dimensioni spaziali extra? Ad altissime energie, tutte le forze diventano una sola? Perchè esistono vari tipi di particelle? Cos’è la materia scura? Quali informazioni ci danno i neutrini? Come si è originato l’Universo? Cosa è accaduto all’antimateria? Gli scienziati hanno identificato tre frontiere della ricerca: la frontiera dell’energia, la frontiera dell’intensità, e la frontiera cosmica. Dunque la sfida di oggi è quella di spingere la tecnologia e gli esperimenti verso queste frontiere per cercare di rispondere a queste domande fondamentali su come funziona l’Universo.

Per un maggior approfondimento su questi ed altri argomenti vedi Idee sull’Universo – Da Galileo ai nostri giorni.