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Fisica e Astronomia: le prospettive del 2013

Il 2012 che abbiamo lasciato da qualche giorno sarà certamente ricordato dagli storici della fisica come l’anno in cui il Large Hadron Collider (LHC) ha permesso di rivelare una nuova particella le cui proprietà sembrano essere consistenti con quelle del bosone di Higgs [post]. Dunque, cosa ci dobbiamo attendere di nuovo nel 2013? Quali saranno le scoperte chiave di quest’anno appena iniziato e chi sarà il protagonista di tali scoperte e, ancora, dove avranno luogo? Il bello della fisica è che, naturalmente, nessuno lo sa per certo e allora proviamo a pensare cosa potrebbe accadere o quali saranno le maggiori aspettative nel campo della fisica e dell’astronomia.

Cominciamo con la fisica. Al CERN di Ginevra, i fisici saranno impegnati sin da subito ad analizzare una grande quantità di dati una volta che il grande collisore adronico sarà spento per almeno due anni a partire dal giorno 11 Febbraio. I vari gruppi di ingegneri inizieranno tutta una serie di manutenzioni e verifiche per eliminare alcuni problemi tecnici e rendere operativi i magneti dell’acceleratore di particelle al fine di arrivare ad una energia di esercizio di 8,3 TeV, che dovrebbe poi permettere a LHC di accelerare le particelle con una energia totale di almeno 13 TeV, così come è previsto per il 2015. La pausa di quest’anno dovrebbe dare un pò di respiro ai fisici che dovranno analizzare una vera e propria montagna di dati prodotti nel corso degli ultimi mesi e con un ritmo vertiginoso pari a diversi giga al secondo. Dovremmo così vedere pubblicati una serie di articoli scientifici che descrivono le caratteristiche e le proprietà della nuova particella ma anche leggere varie discussioni e punti di vista che saranno presenti in vari blog tra i quali quelli curati da  Adam FalkowskiPhillip GibbsMatt Strassler Peter Woit. Inoltre, ci si aspetta che la supersimmetria, cioè quella teoria che si estende al di là del modello standard e che dovrebbe unificare tre delle quattro interazioni fondamentali a valori di energia dell’ordine di 1016 GeV, non sarà ancora osservabile nel 2013 [post]. Per coloro che saranno interessati, il CERN dispone di una sorta di bacheca online che chiunque può consultare in modo da tenere sotto controllo lo stato attuale di LHC. Secondo il portavoce del rivelatore CMS Joe Incandela si prevede che dopo il periodo di arresto i prossimi esperimenti raggiungeranno una energia di collisione di 13 TeV, anche se non sarà molto facile. Uno dei problemi tecnici dipende dal fatto che per andare da 13 a 14 TeV i magneti debbano essere inizialmente riscaldati e poi raffreddati nuovamente e così via, il che richiede abbastanza tempo. Lo scienziato ritiene che per questi motivi, gli esperimenti saranno condotti per lungo tempo con una energia di collisione di 13 TeV, in modo da accumulare nel frattempo una certa quantità di dati. Un altro aspetto da considerare sarà quello di capire chi avrà il premio Nobel per la Fisica del 2013. Le candidature chiuderanno a fine Gennaio e lo scienziato Peter Higgs è sicuramente uno dei maggiori candidati. Ma i membri della Royal Swedish Academy of Sciences non avranno vita facile quando saranno chiamati a scegliere altri due nomi. Si tratterà di teorici? Oppure saranno scelti tra coloro che hanno partecipato agli esperimenti di LHC? O magari saranno due dei sette recenti vincitori del premio di 3 milioni di dollari della fondazione Fundamental Physics Prize Foundation ideata dal fisico divenuto imprenditore Yuri Milner? E’ una situazione abbastanza complessa, così come ha sottolineato lo stesso Peter Higgs, perché almeno altri cinque teorici, secondo lui, tra questi Robert Brout, che ha ricevuto nel 2004 il Wolf Prize in Physics assieme a Peter Higgs e François Englert e che poi è deceduto nel 2011, François Englert, Gerald Guralnik, Carl Hagen, Tom Kibble e Philip Anderson, meritano allo stesso modo di ricevere il Premio Nobel. Comunque sia, le previsioni dicono che quasi sicuramente il premio Nobel per la Fisica 2013 andrà a Higgs, Englert e Anderson.

Passiamo ora all’astronomia. Il 2013 vedrà il lancio di alcune interessanti missioni spaziali. Tra queste, un rover lunare cinese, Chang’e 3, così come una missione della NASA, LADEE, che avrà lo scopo di raccogliere una serie di informazioni sul suolo e sulla polvere lunare importanti per le future stazioni spaziali che avranno come base il nostro satellite naturale. Ancora la NASA lancerà una sonda, MAVEN, che avrà il compito di studiare l’atmosfera del pianeta rosso e poi un’altra, ISIS, che raccoglierà dati analizzando la corona e il vento solare. L’ESA, invece, non starà a guardare. Il suo programma spaziale prevede il lancio della sonda Sentinel-1 per lo studio della Terra, la missione Gaia per la misura e la catalogazione di circa un miliardo di stelle della Via Lattea e del Gruppo Locale, e un insieme di tre satelliti, Swarm, che saranno posti in tre orbite diverse allo scopo di monitorare il campo magnetico terrestre. Per quanto riguarda il volo spaziale, il 2013 dovrebbe vedere due ulteriori missioni verso la Stazione Spaziale Internazionale (ISS), una di SpaceX e un’altra sarà caratterizzata da un volo dimostrativo della capsula Cygnus della Orbital Sciences Corporation, che tenterà anch’essa di raggiungere la ISS. Nel campo della cosmologia, ci aspettiamo tante novità dalla missione Planck dell’ESA i cui primi risultati scientifici saranno presentati durante un importante meeting che si terrà ad Aprile in Olanda. Per gli astronomi amatoriali, invece, il 2013 riserverà una sorpresa verso Novembre quando il cielo avrà come protagonista una super cometa, ISON, che sarà circa 15 volte più brillante della Luna e ci regalerà un magnifico spettacolo, almeno si spera.

Infine, tra le varie celebrazioni e anniversari, nel 2013 ricorderemo il centenario del modello atomico di Niels Bohr, che utilizzava per la prima volta i concetti della fisica quantistica per descrivere le frequenze della luce emessa dall’atomo di idrogeno quando viene eccitato, qualcosa che non era possibile prevedere con la fisica classica. Il 2013 sarà anche l’anno che segna il centenario della pubblicazione di un articolo di Lawrence Bragg, riguardante la legge di diffrazione dei raggi X nei materiali cristallini, così come sarà il centenario della misura della carica elettrica dell’elettrone eseguita da Robert Millikan. Da ricordare, per concludere, l’introduzione del termine “isotopo” coniato da Frederick Soddy e la realizzazione del collegamento tra il numero atomico e la carica nucleare ad opera di Hans Geiger, inventore del contatore di particelle elementari.

Comunque sia, qualsiasi scoperta nel campo della fisica o dell’astronomia abbia in serbo il 2013, AstronomicaMens cercherà di dare come sempre le ultime notizie e gli aggiornamenti. Nel frattempo, auguro ai lettori di questo blog un felice e sereno anno nuovo.

LHCb, evidenze di un raro processo di decadimento B

Durante il simposio Hadron Collider Physics tenutosi di recente a Kyoto, i fisici che lavorano all’esperimento LHCb hanno presentato i risultati di un decadimento B molto raro, il più raro mai osservato. Questi dati limitano ulteriormente quei processi fisici in cui gli scienziati possono ancora cercare indizi dell’esistenza della supersimmetria.

I processi di decadimento delle particelle elementari ci forniscono le informazioni sulle proprietà e il funzionamento dei fenomeni fisici che avvengono in natura. Spesso, però, alcuni decadimenti sono rari, sono molto difficili da osservare e sono quelli in cui si potrebbe rivelare la presenza di nuova fisica. Questo è il caso di alcuni processi di decadimento della particella BS0, una particella costituita da un antiquark e un quark strange, e in particolare BS0  → μ+ μ il cui tasso può essere calcolato con precisione secondo le previsioni del Modello Standard. Eventuali deviazioni dai valori attesi potrebbero indicare un segnale dell’esistenza di nuove particelle, per esempio quelle della supersimmetria. Dopo aver analizzato una parte dei dati raccolti nel 2012, insieme a quelli a partire dal 2011, i fisici che lavorano agli esperimenti presso il rivelatore LHCb hanno presentato per la prima volta i risultati di una notevole quantità di decadimenti  BS0 con un livello di confidenza pari a 3,5 σ. “I teorici hanno calcolato che, secondo il Modello Standard, questo decadimento dovrebbe avvenire circa 3 volte ogni miliardo di decadimenti totali della particella“, spiega Pierluigi Campana, portavoce di LHCb. “Questa prima misurazione dà un valore di (3,2 1,5-1,2) x 10-9, che è in buon accordo con le previsioni“. Questo risultato ci permette di porre nuovi limiti verso la ricerca di particelle supersimmetriche. “Questo canale è un indicatore molto preciso degli effetti relativi all’esistenza di una nuova fisica. La supersimmetria non è esclusa dalla nostra misurazione ma è fortemente limitata“, continua Campana. “Questa misura è una sorta di controllo del Modello Standard ed oggi appare più ‘sano’ di quanto non fosse in precedenza.” Ora, il testimone passerà alla comunità dei fisici e dei teorici in particolare. “Questi risultati devono essere pienamente integrati nei modelli teorici“, spiega ancora Campana. Insomma, i fisici vogliono continuare ad analizzare i dati per migliorare l’accuratezza di questa misura e di altre da cui potrebbero emergere gli indizi di una nuova fisica.

[Press release: First evidence for the B0s →μμ decay]

arXiv: First evidence for the decay Bs -> mu+ mu-

Talk presentato alla conferenza di Kyoto

LEP3, guardando oltre il grande collisore di adroni

La figura illustra il progetto LEP3 con il doppio anello di acceleratori: un primo anello (accelerator ring) accelera elettroni e positroni fino ad energie di 120 GeV per poi immetterli con intervalli di qualche minuto nell’altro anello (collider ring) che è dotato di punti d’interazione ad elevata luminosità.

Nonostante gli ultimi clamorosi risultati ottenuti dal Large Hadron Collider (LHC), un gruppo di fisici sta guardando oltre l’utilità che può dare nei prossimi anni il grande collisore di adroni. Si tratta di un progetto scientifico che vedrà la costruzione di un nuovo acceleratore di particelle, denominato LEP3, che dovrebbe essere collocato nel tunnel attualmente occupato da LHC, una versione aggiornata, per così dire, di quello che qualche tempo fa era il Large Electron-Positron Collider (LEP). Il gruppo di fisici coinvolti in questo progetto dichiarano che il nuovo collisore sarà utilizzato per studiare essenzialmente il bosone di Higgs.

Oggi, una delle domande fondamentali che si pongono i fisici è quella di capire quale sarà il passo successivo una volta che LHC avrà dato, si spera, la prova definitiva dell’esistenza del bosone di Higgs. Certamente si tratta di un programma a lungo termine che dovrebbe vedere la sua realizzazione a partire dal 2030 dato che occorreranno anni per progettare e costruire un tale complesso acceleratore di particelle. Nonostante ciò, i fisici sono già pronti per la fase successiva. Intanto, bisogna dire che tutti concordano sul fatto che LHC sarà soggetto ad una serie di manutenzioni nel corso dei prossimi dieci anni al fine di incrementare l’energia e la luminosità dei fasci di collisione. Poi bisognerà vedere cosa intendono fare gli scienziati in termini di nuovi esperimenti. Se, ad esempio, saranno trovate evidenze dell’esistenza delle superparticelle, cioè le particelle previste dalla supersimmetria, quasi sicuramente i fisici vorranno approfondire gli studi in questo campo mettendo, forse, a rischio gli esperimenti che saranno focalizzati quasi esclusivamente sul bosone di Higgs e a cui potrebbe dedicarsi, appunto, LEP3. Per non parlare poi di altri progetti quali l’International Linear Collider (ILC) o il Compact Linear Collider (CLIC) che potrebbero dedicarsi alla ricerca di altre particelle anche se con un costo decisamente superiore. Una differenza sostanziale tra LHC e LEP3 è data dal tipo di particelle che vengono fatte collidere. Mentre in LHC si fanno scontrare fasci di protoni, per LEP3 sono previste collisioni tra fasci di elettroni e positroni. Inoltre, LEP3 sarà dotato di due anelli di acceleratori anzichè uno come nel caso di LHC. Insomma, i fisici sperano che con l’attuale tecnologia LEP3 possa essere realizzato in circa dieci anni e che potrà coesistere con LHC almeno per qualche anno.

ArXiv: LEP3: A HIGH LUMINOSITY E+E- COLLIDER TO STUDY THE HIGGS BOSON

ATLAS Supersymmetry Searches and More at SUSY 2012

95% Confidence Level exclusion limits for specific Supersymmetry models (MSUGRA/CMSSM) under specific constraints. One of the ATLAS talks in SUSY 2012 presents the results of a search for proposed supersymmetric particles called squarks and gluinos in events containing jets and missing transverse momentum. Although the particles were not found, such measurements exclude certain regions, giving us important clues on where to look next. ATLAS measurements have been able to exclude most of the plane allowed but this particular model (CMSSM/MSUGRA) which is one of the most popular SUSY models.

The 20° International Conference on Supersymmetry and Unification of Fundamental Interactions (SUSY 2012) is taking place in Beijing, China on 13 -18 August 2012. SUSY is the theory which, if confirmed by experiment, will be the high energy extension of the Standard Model (SM). In SUSY, every particle should have a massive “shadow” particle or super-partner. Experimentalists have been looking for years for proof of the existence of these SUSY particles or sparticles. Continua a leggere ATLAS Supersymmetry Searches and More at SUSY 2012

LHC, che cosa hanno osservato ATLAS e CMS?

La figura mostra il decadimento di una particella candidata ‘bosone di Higgs’ che si trasforma in quattro elettroni. Il processo è stato registrato da uno dei tanti esperimenti di ATLAS nel 2012.
Credit: LHC/CERN

Lo stesso giorno in cui è stato tenuto il seminario del 4 luglio al CERN di Ginevra sulla presentazione degli ultimi dati raccolti tra il 2011 e il primo semestre del 2012 dagli esperimenti ATLAS e CMS, i media si sono veramente scatenati riportando la “scoperta della particella di dio”, ovvero del bosone di Higgs. C’è da dire che è stata fatta tanta confusione soprattutto tra i non addetti ai lavori e molti siti web e blog si sono, come dire, fregiati della notizia senza badare molto a ciò che è stato effettivamente detto o rivelato, fatta eccezione per qualche blog. Dunque, facciamo un pò d’ordine a distanza, ormai, di qualche settimana. 

Continua a leggere LHC, che cosa hanno osservato ATLAS e CMS?

L’importanza di essere, o non essere, il bosone di Higgs

Peter Higgs.
Credit: University of Edinburgh, Scotland.

A distanza di qualche giorno dal seminario tenutosi il 4 luglio al Cern di Ginevra sulla presentazione dei dati raccolti tra il 2011 e il 2012 dagli esperimenti ATLAS e CMS presso LHC e che hanno portato alla scoperta di una nuova particella (vedasi questo post), ci si interroga sulla possibilità che si tratti, o meno, proprio del bosone di Higgs oppure di una particella più esotica che appartiene, invece, ad una fisica che ancora non conosciamo.

Intanto, bisogna dire che la particella è un bosone scalare, osservato per la prima volta, e che i due valori della massa ottenuti dai rivelatori sono molto vicini. Inoltre, e fatto più importante, i dati sembrano essere consistenti proprio con il bosone di Higgs così come previsto dal modello standard ma prima di arrivare ad una conclusione definitiva occorrerà eseguire tutta una serie di analisi per studiare in dettaglio le proprietà di questo bosone e chiarire la sua identità. Per usare un paragone, possiamo dire che i fisici sono un pò come i poliziotti che stanno dando la caccia ad un ricercato (il bosone di Higgs), di cui hanno solo l’identikit. Anche se l’abbiamo intravisto (i risultati degli esperimenti) e nonostante i suoi tratti sono molto simili a quelli dell’identikit, ad oggi la situazione (i dati) non ci permette di essere certi sul fatto che si tratti proprio del nostro ricercato o se, invece, si tratti di uno o più sosia. La difficoltà del processo di identificazione di questa nuova particella è legata al fatto che non è possibile osservare direttamente il bosone di Higgs. Il bosone di Higgs viene creato nelle collisioni tra protoni e decade in varie componenti in una frazione di secondo. Ora, secondo la teoria delle particelle, ci aspettiamo che il processo di decadimento avvenga in diversi modi e che i tassi di decadimento dipendano dalla massa che assume il bosone di Higgs. Un altro problema è che la massa del bosone di Higgs non è univocamente determinata dalla teoria ma oggi possiamo dire che abbiamo un valore approssimato della sua massa, tra 125 e 126 GeV, che diventerà ancora più preciso man mano che raccoglieremo sempre più dati. Lo stesso Peter Higgs, che ha partecipato al seminario del Cern, ha dichiarato, con un velo di timidezza e qualche lacrima agli occhi, senza tralasciare il senso di humour britannico: “Sono molto felice che tutto ciò accada mentre sono ancora in vita“. Ora la domanda è: se non si tratta del bosone di Higgs, che cosa è questa particella? L’idea che circola è che, forse, potrebbe trattarsi di una sorta di “messaggero” di una nuova fisica che va oltre il modello standard. Si parla di particelle supersimmetriche e perciò potrebbe trattarsi di un bosone di Higgs supersimmetrico. Comunque sia, con i dati che abbiamo attualmente a disposizione è assolutamente impossibile affermarlo. Dunque, per cercare di capire di che cosa stiamo parlando, i fisici dovranno affrontare una serie di calcoli. Prima di tutto, oltre alla massa, bisognerà misurare lo spin della particella, cioè il suo momento angolare intrinseco o, in maniera più semplice, la rotazione della particella. Il modello standard prevede per il bosone di Higgs un valore nullo. La misura di questo e di altri parametri sarà di fondamentale importanza per verificare se entrano, o meno, nel quadro previsto dal modello standard. Tuttavia, per eseguire queste misure occorreranno certamente dei mesi se non addirittura anni. Assumendo che questa particella verrà confermata essere il bosone di Higgs, il passo successivo che dovranno affrontare i fisici sarà quello di spingersi verso regioni inesplorate in termini di energia. Di fatto, gli scienziati sono convinti che al di sopra di un determinato valore di energia ci deve essere qualcosa di nuovo, insomma una nuova fisica che supera lo stesso modello standard: ad esempio, la supersimmetria è una sua estensione. La supersimmetria, che prevede l’esistenza delle cosiddette particelle supersimmetriche, non ancora osservate, potrebbe spiegarci perché esistono in natura due tipi differenti di particelle, cioè i fermioni e i bosoni. LHC ha le caratteristiche giuste per dare la caccia a queste superparticelle la più leggera delle quali si ritiene sia la candidata ideale per formare la materia scura [audio post].

Vedasi anche questo post: Scoperta di un bosone

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

L’Universo non è più quello di una volta

Dopo circa quattro secoli mi chiedo cosa mai avrebbe detto Galileo se avesse avuto la possibilità di utilizzare i più moderni telescopi? Da qualche decennio, infatti, la nostra visione dell’Universo è letteralmente cambiata, basti pensare alle spettacolari immagini che ci ha fornito, e continua ancora a fornirci sempre in maniera sorprendente, il telescopio spaziale Hubble. Per non parlare, poi, delle missioni spaziali passate, tra cui quella importante del satellite WMAP, e di quelle più attuali, denominate ChandraSpitzer e Fermi, fino ad arrivare alle più recenti Planck ed Herschel. Grazie agli sviluppi tecnologici nel campo dell’ingegneria aerospaziale, oggi è possibile costruire strumenti sempre più avanzati e sofisticati che ci stanno aprendo, per così dire, tante nuove finestre permettendoci di esplorare il nostro Universo in un modo senza precedenti.

Così facendo, si scopre allora che l’Universo è caratterizzato solo dal 4% circa di materia ordinaria, cioè di materia visibile e di cui siamo fatti, quella materia formata da atomi, nuclei eparticelle, e che tutto il resto è fatto di due componenti che ancora non conosciamo e che per nostra ignoranza chiamiamo materia scura (23% circa) ed energia scura (73%), cioè materia che non emette luce ed energia che rimane nascosta nel vuoto, la cui esistenza è stata svelata mediante effetti di tipo gravitazionale.  Ciò è alquanto imbarazzante e costituisce un vero e proprio rompicapo per i cosmologi. Tuttavia questa è una grande epoca per l’astronomia, un periodo in cui la velocità con la quale vengono fornite le informazioni è tale che più osserviamo l’Universo meno ne sappiamo anche se, dobbiamo dire, siamo consapevoli di ciò che ancora ignoriamo. Penso ad un esempio su tutti e che riguarda una scoperta inaspettata, arrivata verso la fine degli anni ’90: contro ogni logica e intuizione, si è trovato che l’espansione cosmica sta accelerando, un fatto alquanto sorprendente. Ci si chiede allora se abbiamo compreso veramente come funziona la gravità, se stiamo applicando in maniera errata la relatività generale o se al contrario conosciamo bene la teoria di Einstein e allora non sappiamo nulla dell’Universo o se, invece, si tratta di un effetto locale per cui la nostra posizione privilegiata si trova nello spazio all’interno di una cosiddetta “bolla cosmica”? Forse le leggi della fisica, come noi le conosciamo, non vanno bene quando vengono applicate nel passato o forse c’è qualcosa di sbagliato nel modo in cui interpretiamo i dati che si riferiscono ad un Universo primordiale. Insomma, guardare oggetti sempre più distanti vuol dire guardare indietro nel tempo ma vuol dire anche avvicinarsi al Big-Bang, cioè alla grande esplosione iniziale che ha dato origine al nostro Universo, incluse le leggi della fisica, circa 13,7 miliardi di anni fa.

Ed è proprio da lì che vogliamo ripartire per ricostruire la storia del cosmo. Ma come? E’ proprio dal nostro pianeta che, si spera, avremo le risposte che stiamo cercando. Infatti, nel tunnel presso il CERN di Ginevra, gli scienziati lavorano con il più potente acceleratore di particelle mai costruito: il Large Hadron Collider (LHC). Uno dei compiti di LHC sarà quello di creare le condizioni iniziali in cui si trovava l’Universo subito dopo il Big-Bang, cioè nella sua prima frazione di secondo, quando le condizioni di energia e temperatura erano estreme. Durante questa fase iniziale, si creavano particelle molto più pesanti di quelle che siamo in grado di osservare oggi e che successivamente, con l’espansione e il raffreddamento dello spazio, si sono trasformate nelle particelle più leggere note a tutti noi. Una delle ipotesi sulla materia scura è che essa sia composta proprio da quelle particelle massicce e antiche che sono esistite ad altissime energie. All’LHC spetterà inoltre il compito di andare oltre i confini dello spazio e deltempo. Se durante le collisioni tra i fasci di particelle, che avvengono nell’anello di 27 Km di circonferenza a velocità prossime alla velocità della luce, si vedranno sparire, per così dire, alcune particelle in uno spazio “al di fuori” rispetto a quello tridimensionale a cui siamo abituati, allora avremo la prova che esistono effettivamente le cosiddette dimensioni spaziali extra. L’Universo consisterebbe perciò di uno spazio multidimensionale caratterizzato da ulteriori dimensioni spaziali, forse sei o sette, così come vuole la famigerata teoria delle stringhe, e che esisterebbero arrotolate o intrecciate in uno spazio piccolissimo che, però, non possiamo vedere o percepire. Ritroveremo un ordine nella natura? Ciò che possiamo dire è che se mai l’LHC dovesse “vedere” le cosiddette particelle supersimmetriche, previste dalla teoria della supersimmetria, allora potremmo, forse, risolvere non solo il mistero della materia scura ma dimostrare l’esistenza di una simmetria che può farci avvicinare verso l’unificazione delle forze fondamentali della natura.

Un fatto è certo: mancano ancora alcuni tasselli per completare il puzzle. Einstein aveva ragione nell’affermare che la cosa più incomprensibile dell’Universo è che risulta comprensibile.

Quanto è ‘scura’ la materia scura?

Un gruppo di ricercatori dell’Università della Florida ha trascorso quasi dieci anni a monitorare un esperimento che utilizza rivelatori al germanio e al silicio, raffreddati fino a qualche frazione di grado sopra lo zero assoluto, allo scopo di studiare la materia scura. Il risultato? Forse si è trovato qualcosa che suggerisce di continuare la ricerca.

Per capire gli effetti dovuti alla presenza della materia scura basta dare una occhiata, ad esempio, al Sistema Solare dove Mercurio, per rimanere in orbita attorno al Sole, si deve muovere con una velocità orbitale di 48 Km/sec mentre il più lontano Nettuno lo fa muovendosi con una velocità orbitale di soli 5 Km/sec. Ciò non si osserva nel caso della Via Lattea o in altre galassie. In altre parole, la materia nelle regioni più esterne di una galassia a spirale si muove quasi con la stessa velocità orbitale della materia che si trova invece in prossimità delle regioni più centrali della galassia. Questo fatto è alquanto sorprendente dato che non sembra esistere abbastanza gravità nelle regioni più esterne del sistema galattico che possa mantenere la materia in orbita attorno alla galassia dato che, altrimenti, si disperderebbe nello spazio. Ciò implica che deve esistere una maggiore forza gravitazionale per spiegare come mai queste galassie continuano ad orbitare e stare insieme, cioè deve esistere altra materia che non vediamo e che per motivi di ignoranza chiamiamo appunto materia scura. Sappiamo che la presenza di materia scura è importante per mantenere gli ammassi di galassie legati gravitazionalmente e, inoltre, essa ci permette di spiegare il fenomeno della lente gravitazionale su larga scala, come si può vedere ad esempio nel Buller Cluster. I modelli ricostruiti al computer suggeriscono che le galassie possono avere aloni di materia scura e che essa può essere distribuita all’interno della loro struttura nello spazio intergalattico determinando così il 90% della massa galattica totale. Attualmente si ritiene che una piccola componente di materia scura sia di tipo barionico, cioè formata da protoni e neutroni, e che può esistere sotto forma di gas freddo e denso, come buchi neri, stelle di neutroni, nane brune o pianeti massicci e isolati (planemi), tutte componenti note come Massive Astrophysical Compact Halo Objects (MACHOs). Tuttavia queste componenti non producono quegli effetti gravitazionali osservati che sono invece dovuti appunto alla materia scura. In conclusione la maggior parte di questa componente misteriosa deve esistere nella forma di materia di tipo non barionico, cioè nella forma delle cosiddette Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs).

Tra le particelle note come WIMPs, che probabilmente non hanno carica elettrica, i neutrini, prodotti in abbondanza dalle reazioni di fusione nucleare che hanno luogo nei nuclei delle stelle, potrebbero essere i migliori candidati anche se la loro massa non è sufficiente per giustificare gli effetti osservati. Invece,  la particella ideale per rappresentare la materia scura potrebbe essere il cosiddetto neutralino, una particella ipotetica prevista dalla teoria della supersimmetria. Il secondo esperimento chiamato Cryogenic Dark Matter Search Experiment (CDMS II), costituito da rivelatori a cristalli liquidi, è situato in una miniera di ferro nel Minnesota e ha lo scopo di rivelare solamente alcune particelle che sono in grado di penetrare in profondità il terreno. L’esperimento cerca quegli eventi di ionizzazione che possono essere utilizzati per distinguere le interazioni elettroniche da quelle nucleari. Si assume infatti che una particella WIMP ignori gli elettroni e potenzialmente interagisca con un nucleo. Ad oggi sono stati riportati due possibili eventi che tuttavia non possono essere considerati statisticamente significativi ma possono dare comunque una direzione alla ricerca. I risultati ottenuti dal gruppo di ricercatori indicano non solo quanto sia complicato rivelare una particella WIMP, cioè quanto scura sia la materia scura, ma che dovrà essere necessario migliorare la sensibilità stessa dei rivelatori.