Archivi tag: particelle

Neutrini, le particelle del Big Bang

Alcuni scienziati della University of Huddersfield sono impegnati in una collaborazione internazionale assieme ad altri colleghi appartenenti ad altri istituti nel tentativo di svelare un mistero legato ad una particella che avrebbe giocato un ruolo fondamentale per l’origine dell’Universo.

La scoperta dei neutrini e delle rispettive antiparticelle risale a più di 50 anni fa. I fisici ritengono che queste particelle vennero create in seguito al Big Bang e sono convinti che esse potrebbero fornirci nuovi indizi di vitale importanza per comprendere la natura del nostro Universo. Queste particelle hanno una massa quasi trascurabile, viaggiano con velocità relativistiche interagendo debolmente con la materia e si trasformano mentre si propagano. Quest’ultimo fenomeno, noto come oscillazione dei neutrini, rende queste particelle estremamente elusive. “Per studiare i neutrini, dobbiamo massimizzare la produzione delle rispettive antiparticelle un processo che è alla base della mia ricerca” spiega Adriana Bungau dell’University of Huddersfield e membro dell’International Institute for Accelerator Applications. Questo progetto di ricerca avrà lo scopo di costruire un nuovo acceleratore di particelle nel quale fasci di protoni saranno deviati verso un bersaglio costituito da un cilindro di berillio-9 circondato da un altro cilindro di litio-7 mantenuto a basse temperature. Questo processo permetterà la produzione continua di isotopi del litio-8 che decadranno rapidamente dando luogo ad una elevata formazione di antiparticelle. Bungau è convinta che questi esperimenti sugli antineutrini permetteranno di ricavare nuovi indizi sulla natura e l’origine dell’Universo.

[Abstract: In Search of Sterile Neutrinos]

arXiv: Target Studies for the Production of Lithium8 for Neutrino Physics Using a Low Energy Cyclotron

Pubblicità

Il mistero delle particelle di Majorana

La figura illustra come potrebbero allinearsi le particelle di Majorana sotto l’azione di due campi magnetici opposti (rosso) che interagiscono con un materiale isolante superconduttore (blu).
Credit: Neupert, Onoda, and Furusaki, PRL 105, 206404 (2010)

Da qualche settimana, i titoli apparsi sui media relativamente alla “scoperta” del bosone di Higgs hanno catturato l’immaginario collettivo, in particolare tra i fisici che vogliono comprendere la vera essenza del cosmo. Si tratta, però, di un piccolo tassello che pare abbia aperto una porta verso la soluzione di uno dei tanti enigmi ancora da svelare (vedasi Enigmi Astrofisici). Nonostante ciò, la fisica teorica Lorenza Viola del Dartmouth College sta cercando di risolvere un mistero della fisica fondamentale: la particella di Majorana.

Si tratta di una particella che dovrebbe esistere al confine tra materia e antimateria, una sorta di particella ibrida avente le proprietà comuni sia alle particelle che alle antiparticelle. Ora, a differenza di quanto accade nel momento in cui materia ed antimateria collidono, scomparendo e rilasciando una grande quantità di energia, le particelle di Majorana si comportano diversamente, in altre parole esse rimangono stabili. Queste particelle potrebbero aiutare i fisici a risolvere altri problemi anche in termini della ridefinizione di alcune proprietà dell’Universo. Infatti, alcuni astrofisici hanno suggerito che le particelle di Majorana potrebbero essere le componenti della materia scura che, come è noto, costituisce l’80% circa della materia presente nello spazio. Tuttavia, gli sforzi sperimentali da parte dei ricercatori non hanno portato finora alla rivelazione di alcun tipo di particella di Majorana. I teorici ritengono che tali particelle potrebbero apparire collettivamente come “quasiparticelle” costituite da elettroni ordinari legati ai nuclei atomici in particolari condizioni fisiche. Oggi, Lorenza Viola e il suo gruppo di ricerca stanno tentando di risolvere questo mistero che, quasi per ironia della sorte, sembra ricordare quello della scomparsa del celebre fisico Ettore Majorana quando nel 1938, salpato da Napoli verso Palermo, non fu mai visto. Dare la caccia alle particelle di Majorana è una cosa alquanto complicata dato che particelle e quasiparticelle vivono a livello subatomico nel bizzarro mondo della meccanica quantistica in cui le regole della fisica classica vengono meno. “Se per un momento immaginassimo di essere così microscopicamente piccoli come gli elettroni, forse potremmo capire come funziona il mondo della meccanica quantistica” spiega Viola. Grazie ad una collaborazione con il suo collega Gerardo Ortiz dell’Indiana University, Viola suggerisce che le particelle di Majorana si trovano da qualche parte in una sorta di “locale microscopico”. Gli scienziati hanno proposto un modello teorico che spiega come le quasiparticelle formino una classe di materiali esotici, noti come superconduttori topologici, che hanno una “doppia personalità”: in altre parole, sulla superficie esterna conducono l’elettricità, come i metalli, mentre nella parte più interna si comportano come superconduttori. La ricerca e la verifica sperimentale di queste proprietà topologiche della materia a livello quantistico forniranno una sorta di arena ricca di dati in cui sarà possibile esplorare la fisica delle misteriose particelle di Majorana.

ArXiv: Majorana modes in time-reversal invariant s-wave topological superconductors

L’Universo ‘neonato’ aveva la forma di uno ‘spaghetto’

Può l’Universo essersi originato da una unica dimensione spaziale? A questa domanda stanno cercando di rispondere un gruppo di ricercatori dell’Università di Buffalo guidati dal fisico teorico Dejan Stojkovic che hanno proposto una teoria nel 2010, detta della “sparizione delle dimensioni”.

Gli scienziati hanno proposto un modello in cui l’Universo, emerso da una singolarità iniziale “puntiforme”, ebbe, nelle sue primissime fasi inziali, una singola dimensione spaziale, come una linea retta o uno spaghetto, prima di espandersi in una sorta di piano, a due dimensioni, per poi diventare tridimensionale così come lo osserviamo oggi. Questa teoria, detta della “sparizione delle dimensioni”, potrebbe risolvere alcune questioni fondamentali della fisica delle particelle. Secondo Stojkovic e Jonas Mureika le onde gravitazionali non possono esistere in uno spazio ad una o a due dimensioni. A causa di ciò, essi affermano che l’interferometro LISA potrebbe non rivelare alcuna traccia di onde gravitazionali che si ritiene, invece, possano propagarsi durante le primissime fasi della storia dell’Universo. La teoria delle “dimensioni che evolvono nel tempo” potrebbe così rappresentare una chiave di svolta alternativa verso la comprensione del cosmo. L’idea è che la dimensionalità dello spazio dipende proprio dalle dimensioni dello spazio che stiamo osservando, in altre parole a spazi più piccoli corrispondono un minimo numero di dimensioni spaziali. Ciò vuol dire che dovrebbe emergere una quarta dimensione, se non lo ho ha già fatto, man mano che l’Universo continua ad espandersi. La teoria suggerisce, inoltre, che lo spazio debba contenere poche dimensioni spaziali ad altissime energie, del tipo di quelle che sono associate, appunto, con le primissime fasi iniziali della storia cosmica, subito dopo il Big Bang.

Se tutto questo si dimostrerà vero, Stojkovic e colleghi potrebbero essere in grado di risolvere alcuni problemi con il modello standard delle particelle e i seguenti punti chiave:

1) L’incompatibilità tra la meccanica quantistica e la relatività generale, la prima che descrive l’Universo infinitamente piccolo e la seconda che descrive l’Universo infinitamente grande. Attualmente, le due teorie sono incompatibili ma se consideriamo le scale del microcosmo, quando le dimensioni spaziali diventano minime, le discrepanze matematiche potrebbero scomparire (vedasi Idee sull’Universo).

2) Il mistero dell’espansione accelerata dell’Universo di cui non è nota la sua causa e origine. La presenza di nuove dimensioni spaziali, man mano che l’Universo si espande, potrebbe spiegare questa enigmatica accelerazione. Secondo Stojkovic, una quarta dimensione potrebbe essere già emersa sulle più grandi scale cosmologiche.

3) La necessità di alterare la massa del bosone di Higgs. Per completare il quadro generale, il modello standard delle particelle elementari prevede l’esistenza del bosone di Higgs, nota anche come la “particella di dio”, che spiegherebbe il meccanismo mediante il quale le particelle acquisiscono la massa. Ma per spiegare in maniera accurata i fenomeni del mondo fisico, i fisici devono “artificialmente aggiustare” la massa del bosone di Higgs per quelle interazioni tra le particelle che avvengono a valori elevati di energia. Se lo spazio è caratterizzato da dimensioni spaziali minime ad alte energie, la necessità di eseguire tali modifiche alla massa del bosone di Higgs potrebbe non essere più necessaria.

Stiamo cambiando il punto di vista, stiamo spostando il problema, dato che l’estensione dell’estensione di idee già esistenti potrebbe non dare la giusta soluzione al problema. Dobbiamo considerare la possibilità che ci sia qualcosa di sbagliato nelle nostre idee sull’Universo. Dunque, da qui la necessità di introdurre qualcosa di nuovo e radicale” dice Stojkovic. Anche se passeranno molti anni prima che gli scienziati possano avere una prova a favore, o meno, delle loro idee c’è comunque qualche evidenza sperimentale che punta alla possibile esistenza di uno spazio con poche dimensioni spaziali. In particolare, gli scienziati hanno osservato che i raggi cosmici, che hanno energie superiori a 1 TeV (tera elettronvolt), cioè quei valori tipici dell’energia associati alle fasi iniziali della storia dell’Universo, sarebbero caratterizzati da un flusso che sembra essere “allineato su un piano”. Ma allora se valori di alta energia corrispondono ad uno spazio a dimensioni minime, così come propone la teoria di Stojkovic, i ricercatori di LHC dovrebbero osservare una diffusione (scattering) a due dimensioni. Insomma, una possibile evidenza sperimentale di questi eventi esotici potrebbe dare ragione alle idee di Stojkovic.

ArXiv: Detecting Vanishing Dimensions Via Primordial Gravitational Wave Astronomy