Archivi tag: particelle subatomiche

Ecco NOvA, l’esperimento più avanzato del Fermilab sui neutrini

Grazie al recente completamento dei laboratori, è entrato in funzione, e con successo, l’esperimento NOvA che esplorerà le proprietà dei neutrini che rappresentano una delle chiavi per svelare alcuni misteri ancora irrisolti dell’Universo. Continua a leggere Ecco NOvA, l’esperimento più avanzato del Fermilab sui neutrini
Pubblicità

RHIC rivela evidenze indirette di ‘barioni strani ultra pesanti’

A seguito di un recente esperimento realizzato presso il RHIC del Brookhaven National Laboratory, un gruppo di ricercatori ha trovato alcuni indizi relativi ad una particella misteriosa che è stata a lungo ipotizzata e che però non è mai stata rivelata. Finora, queste particelle elusive, denominate “barioni strani ultra pesanti”, non sono stati mai osservati direttamente e ora pare che esse stiano lasciando, per così dire, le tracce della loro esistenza. Queste particelle elusive potrebbero esistere in una sorta di “zuppa di plasma” di particelle subatomiche che simulerebbe lo stato fisico primordiale dell’Universo una frazione di millisecondo subito dopo il Big Bang. L’obiettivo dei ricercatori è quello di capire come differenti stati della materia, ad esempio il plasma quark-gluoni, cambiano fase a diverse temperature. Infatti, così come l’acqua può esistere allo stato liquido, o nella forma di ghiaccio o ancora di vapore, in funzione della temperatura e della pressione, anche le particelle nel nucleo atomico possono assumere forme differenti a diverse temperature.

RHIC: First Indirect Evidence of So-Far Undetected Strange Baryons

LiveScience: Hints of Mysterious Particle Detected in ‘Big Bang Soup’

LiveScience: Atom Smasher Sets Guinness Record for Hottest Man-Made Temperature

LiveScience: Primordial ‘Soup’ of Big Bang Recreated

LiveScience: Elusive ‘Exotic Hadron’ Particles Confirmed

Space.com: Big Bang Was Actually a Phase Change, New Theory Says

arXiv: Additional Strange Hadrons from QCD Thermodynamics and Strangeness Freeze-out in Heavy Ion Collisions

AMS-02, i primi risultati suggeriscono l’esistenza di un ‘oceano’ di materia scura

Il grafico illustra l’eccesso di positroni in funzione dell’energia delle particelle. I dati sono abbastanza bene descritti, anche se non confermati, dal modello che spiega la materia scura costituita dalle particelle WIMPs.
Credit: CERN

Il 29 Aprile 2011 è stata l’ultima missione dello Space Shuttle Endeavour (STS-134), la penultima del programma STS, che ha portato a bordo l’Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), un rivelatore di particelle costruito appositamente per operare nello spazio agganciato alla Stazione Spaziale Internazionale (ISS). AMS è stato concepito per fornire le risposte ad alcune questioni fondamentali della fisica delle particelle ed in particolare allo studio dell’antimateria, della materia scura, dell’energia scura e dei raggi cosmici.

Dopo quasi due anni di osservazioni, i primi risultati, sebbene preliminari, suggeriscono che le ‘impronte digitali cosmiche’ le cui tracce sono presenti nei raggi cosmici sono il frutto dell’esistenza di materia scura, quella enigmatica e misteriosa componente di materia invisibile che caratterizza quasi il 27% del contenuto materia-energia dell’Universo (post). Naturalmente, il caso non è chiuso dato che queste prime evidenze potrebbero essere associate ad altre sorgenti di radiazione come, ad esempio, le pulsar. Il Premio Nobel Samuel Ting, che è responsabile del programma scientifico, è convinto che nei prossimi mesi avremo qualche dato più certo e che al momento non è ancora possibile risolvere questo ‘puzzle’ astrofisico. Ciò che risulta chiaro è il fatto che c’è qualcosa, in altre parole esiste un segnale evidente ma non sappiamo di che cosa si tratti. Il mistero della materia scura risale agli anni ’30 quando Fritz Zwicky ottenne le prime evidenze relative all’esistenza di un eccesso di materia invisibile negli ammassi di galassie. Da lì in poi fino ad arrivare ai più recenti esperimenti, sia con gli acceleratori di particelle che con speciali rivelatori sotterranei, non è mai stato ottenuto un risultato significativo che ci permetta di svelare il segreto della materia scura. Oggi, però, c’è un modo diverso di guardare alle rare collisioni delle particelle che avvengono nello spazio. Infatti, nel momento in cui due particelle di materia scura interagiscono e annichilano, ci si aspetta che esse lascino una sorta di “impronta” costituita da positroni, cioè le antiparticelle degli elettroni, ad elevate energie. E’ ciò che stanno cercando Ting ed il suo gruppo di ricercatori. La notizia è che sono state trovate alcune tracce interessanti ma potrebbero essere associate alle pulsar. Per capire allora a quale sorgente esse siano correlate occorrerà analizzare il grafico che riguarda il segnale emesso dai positroni: se la curva assume un determinato andamento potrebbe essere consistente con l’ipotesi delle WIMPs, che sono le particelle candidate per costituire la materia scura, altrimenti bisogna ricorrere alle pulsar. Dunque, questo comportamento potrebbe rappresentare per gli scienziati la discriminante. Infatti, una delle proprietà delle particelle WIMPs è che quando esse collidono si ha la produzione di una certa quantità di energia e la formazione di particelle subatomiche, secondo l’equazione di Einstein che esprime l’equivalenza tra la massa e l’energia (E = mc2). Questo processo è simile a quello che avviene quando un elettrone e un positrone collidono liberando una certa quantità di energia. Nel caso delle particelle WIMPs uno dei risultati del processo di autoannichilazione è proprio la creazione di elettroni e positroni. AMS-02 è stato concepito per rivelare queste particelle. I dati che sono stati raccolti dal rivelatore durante i primi 18 mesi di osservazioni si riferiscono a circa 25 miliardi di eventi rari che sono collegati ai raggi cosmici di cui circa 7 milioni sono nella forma di elettroni e positroni. Analizzando questi dati preliminari è stato trovato qualcosa di interessante: un eccesso di positroni rispetto a quanto ci si aspetta dal segnale di fondo dovuto alle sorgenti di radiazione ordinaria, già osservato da altri esperimenti ma ora misurato da AMS-02 con una precisione migliore. Tutto questo è consistente con quanto previsto nel caso in cui le particelle di materia scura siano di tipo WIMPs. Fantastico, anche se non possiamo concludere ancora nulla. Di fatto, ci potrebbero essere altre sorgenti, appunto come le pulsar, che si originano quando stelle massicce esplodono formando le stelle di neutroni in rapida rotazione. Questo processo dà luogo alla creazione di particelle di alta energia il cui segnale può assomigliare a quello dovuto alle WIMPs. Per completezza di informazione segnaliamo che c’è chi ritiene che questi risultati preliminari siano incorretti e fuorvianti (post). Comunque sia, staremo a vedere cosa accadrà nei prossimi mesi. AMS-02 continuerà ad osservare i raggi cosmici, dove si celano le tracce di questi segnali, fino al 2020. Insomma, si tratta di una storia affascinante, un giallo da risolvere che secondo Michael Turner, uno dei più grandi esperti del ‘settore scuro’ dell’Universo, potrebbe ben presto arrivare ad una conclusione.

AMS-02: First Result from the Alpha Magnetic Spectrometer Experiment

Physical Review Letters: The first results from the space-borne Alpha Magnetic Spectrometer confirm an unexplained excess of high-energy positrons in Earth-bound cosmic rays

Physical Review Letters: First Result from the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station:Precision Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic Rays of 0.5–350 GeV

L’origine dell’Universo secondo la gravità quantistica a loop

Image credit: Thomas Fuchs

Secondo il modello cosmologico standard, l’Universo ebbe origine da una grande esplosione iniziale, il Big Bang, circa 13-14 miliardi di anni fa. Alcuni istanti dopo, l’Universo subì una rapida espansione, nota come inflazione, che diede forma, per così dire, allo spazio cosmico. Durante questo periodo, emersero minuscole fluttuazioni di energia che, successivamente, diedero luogo a tutte quelle strutture cosmiche che oggi possiamo ammirare sottoforma di galassie e ammassi di galassie. Nonostante questo modello sia in grado di descrivere in prima approssimazione l’evoluzione dell’Universo primordiale, nessuno è in grado di spiegare come hanno avuto origine queste fluttuazioni primordiali. Ma di recente, tre fisici avrebbero scoperto la chiave per risolvere questo enigma attraverso la formulazione di una teoria in cui la gravità dovrebbe mostrare lo stesso comportamento bizzarro basato sull’incertezza che regna nel mondo delle particelle subatomiche.

La cosmologia standard, che si basa sulla relatività generale, non è in grado di spiegare l’origine delle fluttuazioni dato che viene meno quando consideriamo scale molto piccole, tipiche del mondo degli atomi. Durante il brevissimo ed infinitesimale intervallo di tempo prima che avesse luogo l’inflazione, noto come era di Planck, l’intero Universo era compresso in una regione di spazio molti ordini di grandezza più piccola di quella che occupa un atomo. Se tentiamo di applicare la relatività a questa situazione, le sue previsioni non hanno più senso fisico dato che portano a valori infiniti della densità di energia. Dunque, per estendere i concetti di Einstein a queste situazioni estreme i ricercatori hanno sviluppato una teoria denominata loop quantum gravity. Sin dagli anni ’80, Abhay Ashtekar, attualmente alla Pennsylvania State University, trasformò in qualche modo le equazioni di Einstein per renderle compatibili nell’ambito della fisica quantistica. Ma ci fu un prezzo da pagare. Infatti, come conseguenza di questa manipolazione matematica si trovò che lo spazio non era più liscio, continuo e regolare, come nel caso del mondo infinitamente grande, ma consisteva di tante unità discrete, denominate loop o anelli, e che la sua struttura microscopica poteva fluttuare contemporaneamente tra tutta una serie di stati multipli. Nel corso degli ultimi anni, i fisici hanno dichiarato che se, e con un grande “se” dato che non abbiamo ancora evidenze sperimentali, la teoria della gravità quantistica a loop si dimostrerà corretta allora il Big Bang dovrebbe essere stato originato da un vero e proprio Big Bounce associato ad un precedente universo che si trovava nella fase di collasso gravitazionale. Oggi, però, Ashtekar e i suoi collaboratori sono convinti che questa tecnica, attraverso la quale è possibile estendere i concetti della relatività generale verso gli istanti primordiali della storia dell’Universo, possa riempire il divario tra il Big Bounce, cioè l’era di Planck, e il momento in cui ha origine l’inflazione non solo ma grazie ad essa è possibile spiegare anche la formazione di tutte quelle fluttuazioni senza le quali non si sarebbero formate nel corso del tempo le strutture cosmiche fino ad arrivare persino a noi stessi. Queste fluttuazioni primordiali sarebbero perciò la naturale conseguenza delle fluttuazioni quantistiche che esistevano già all’epoca del Big Bounce. “I nostri risultati forniscono una estensione autoconsistente dell’inflazione fino alla scala di Planck” dichiara Ashtekar. “Il fatto che la gravità quantistica abbia lasciato oggi una sorta di ‘impronta digitale’ sulle strutture cosmiche è alquanto sorprendente ed elegante” dichiara Jorge Pullin della Louisiana State University, un esperto di gravità quantistica a loop e buchi neri. Neil Turok, direttore del Perimeter Institute for Theoretical Physics in Ontario, afferma invece che i ricercatori hanno bisogno di introdurre tutta una serie di “assunzioni artificiose” per poter procedere indietro nel tempo dal momento in cui avviene l’inflazione fino a epoche più remote. “La gravità quantistica a loop è interessante”, dice Turok, “ma non si tratta ancora di una vera e propria teoria e perciò bisogna stare attenti a non prendere sul serio certe sue predizioni”. 

Full story: The missing epoch