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I mini buchi neri di LHC: portali verso universi paralleli?

L’idea che esistano altri universi è alquanto affascinante, nonostante sia quasi impossibile verificarla sperimentalmente. Oggi, però, un gruppo di teorici ritiene che l’energia raggiunta con le prossime collisioni al Large Hadron Collider (LHC) permetterà di svelare l’esistenza di universi paralleli, se esistono. Continua a leggere I mini buchi neri di LHC: portali verso universi paralleli?

Focus sull’Universo primordiale

Il satellite Planck ha trascorso più di quattro anni nello spazio per catturare la luce più antica che siamo in grado di osservare: stiamo parlando della radiazione cosmica di fondo. Essa riempie tutto lo spazio e ci offre una sorta di istantanea di come appariva l’Universo circa 380 mila anni dopo il Big Bang. I dati di Planck hanno fatto luce, è il caso di dirlo, non solo sullo stato fisico e sull’evoluzione dell’Universo primordiale, ma anche sulla materia scura, quell’enigmatica componente che rappresenta lo ‘scheletro cosmico’ su cui sono distribuite le galassie e gli ammassi di galassie. Inoltre, i dati di Planck avvalorano l’inflazione cosmica, cioè quella fase di espansione esponenziale, avvenuta 10-35 secondi dopo il Big Bang, in cui l’Universo passò dalle dimensioni di un protone a quelle che, al di fuori di ogni comprensione, lo caratterizzano oggi. Continua a leggere Focus sull’Universo primordiale

Le superstringhe spiegate da Don Lincoln

Qualche tempo fa, ho pubblicato un post sulla teoria delle stringhe che, secondo uno studio proposto da due ricercatori della University of South California (USC) potrebbe rappresentare il punto di partenza di tutte le leggi della fisica. Continua a leggere Le superstringhe spiegate da Don Lincoln

E’ la teoria delle stringhe alla base della meccanica quantistica?

E’ quanto emerge da uno studio proposto da due ricercatori della University of South California (USC) e che potrebbe aprire una nuova finestra per utilizzare la teoria delle stringhe, o una sua estensione, cioè la la teoria-M, come il punto di partenza di tutte le leggi della fisica.

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Un modello della gravità in uno spaziotempo a più dimensioni

Di recente, abbiamo pubblicato un articolo su un modello ‘alternativo’ che descrive l’origine dell’Universo da un buco nero multidimensionale (post). Al momento, nessuno sta abbandonando il modello del Big Bang dato che il lavoro proposto da tre teorici non è ancora stato soggetto a revisione e poi non presenta una vera e propria alternativa al modello cosmologico standard. In realtà, nel loro articolo gli scienziati propongono una teoria della gravità a più dimensioni. Continua a leggere Un modello della gravità in uno spaziotempo a più dimensioni

Comprendere le fasi primordiali della storia cosmica

La cosmologia, che studia la natura e l’evoluzione dell’Universo nel suo insieme, ha fatto passi da gigante negli ultimi 30 anni. Le nostre maggiori conoscenze sulla storia cosmica ci sono state rivelate essenzialmente dallo studio della radiazione cosmica di fondo, la luce più antica che siamo in grado di osservare. Oggi, non siamo certi quando avverrà la prossima scoperta e allo stesso tempo possiamo affermare, senza alcun dubbio, di vivere nell’epoca della ‘cosmologia di precisione’ (vedasi L’Universo Infante. L’era della cosmologia di precisione).

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Un mistero nell’ammasso di Perseo

L’Universo è un posto pieno di misteri e di recente, l’osservatorio spaziale Chandra ne ha rivelato un’altro che, a prima vista, non può essere spiegato dalle leggi della fisica note. Stiamo parlando dell’ammasso di Perseo situato a circa 250 milioni di anni-luce uno degli oggetti più massicci dell’Universo. L’ammasso si trova immerso in una sorta di enorme “atmosfera di plasma” ad alta temperatura ed è lì dove risiede il mistero. Continua a leggere Un mistero nell’ammasso di Perseo

La strada verso l’unificazione delle due più grandi teorie della fisica moderna

Albert Einstein e Niels Bohr
Sung-Sik Lee, un professore associato di fisica del Perimeter Institute, ritiene che uno dei metodi utilizzati per lo studio della materia potrebbe costituire la chiave verso l’unificazione della relatività generale e della meccanica quantistica. Sappiamo che da un lato la relatività generale descrive il moto dei pianeti attorno al Sole mentre la meccanica quantistica ci spiega come si muovono gli elettroni attorno al nucleo atomico. Ad oggi, possiamo affermare senza alcun dubbio che entrambe le teorie rappresentano due grandi trionfi della fisica moderna e le loro previsioni sono state varie volte verificate sperimentalmente. Ma c’è un problema: non possiamo utilizzarle insieme.

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LHC e il bosone di Higgs: la suspense continua

Ad un anno dall’annuncio da parte dei fisici del CERN sulla scoperta di un nuovo bosone scalare le cui proprietà sembrano essere consistenti proprio con quelle della famigerata “particella di dio”, pare che i giochi non siano ancora fatti.

Senza alcun dubbio, ciò che sappiamo è che esiste in natura una nuova particella, un bosone di tipo scalare, mai osservata prima che fossero realizzati gli esperimenti presso il Large Hadron Collider (LHC), e ora occorre capire in definitiva se si tratti o meno del bosone di Higgs. L’esistenza di questa particella dovrebbe colmare una grossa lacuna del modello standard della fisica fondamentale, la teoria che descrive il comportamento e le proprietà delle particelle elementari e le forze della natura. Secondo la teoria, il bosone di Higgs è un campo di forze ‘invisibile’ che interagisce con le particelle alle quali viene conferita una determinata massa. Senza questo campo di forze, la materia composta da atomi non esisterebbe, compresi noi stessi.

Tuttavia, mentre il modello standard prevede l’esistenza di un solo bosone di Higgs, altri modelli, come ad esempio la teoria delle stringhe, prevedono l’esistenza di almeno altre cinque particelle. Ma allora la domanda è: quale di queste particelle è stata osservata?

Fino ad oggi, i dati suggeriscono che si tratti proprio del bosone previsto dal modello standard dato che la particella sembra possedere almeno due delle caratteristiche principali che ci aspettiamo per il bosone di Higgs. Infatti, secondo il modello standard, il bosone di Higgs deve avere un momento angolare, cioè “spin”, nullo e parità positiva, una proprietà che indica il comportamento nella fisica quantistica della sua immagine speculare. Ancora una volta, l’analisi dei dati indica che la particella ha effettivamente spin nullo e parità positiva. Ma nonostante tutti i dati puntino alle proprietà che caratterizzano il bosone di Higgs, è anche vero che ci sono delle discrepanze, anche se al momento i fisici le considerano poco significative. Ad ogni modo, questo mese si aspettano nuovi indizi dal meeting della European Physical Society, che si terrà a Stoccolma dal 18 al 24 Luglio, ma certamente occorreranno ulteriori dati prima di dichiarare con assoluta certezza che stiamo parlando esattamente del bosone di Higgs del modello standard. Insomma, nella scienza come sempre non si è mai in grado di provare che qualcosa sia giusto, piuttosto è più facile dimostrare che qualcosa sia sbagliato. Dunque, anche se LHC quando riprenderà le attività nel 2015 sarà in grado di rivelare particelle più pesanti, forse altri bosoni di Higgs, è probabile che al momento non arriveremo ad avere dei risultati conclusivi.

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LHC, mini buchi neri e dimensioni spaziali extra

Una delle conseguenze del modello detto ‘mondo-brana’, contemplato dalla teoria delle stringhe, è la formazione di  buchi neri microscopici che possono emergere in seguito alle collisioni di alta energia realizzate negli acceleratori di particelle. Le teorie che prevedono questa possibilità affascinante sono quelle in cui la scala di energia in cui avvengono i fenomeni fisici della gravità quantistica è molto inferiore rispetto al valore convenzionale di 1019 GeV (GeV indica 1 miliardo di electronVolt) e può addirittura essere ancora più bassa, cioè dell’ordine di qualche TeV (TeV indica 1000 miliardi di electronVolt).

La teoria della relatività generale può essere formulata in qualsiasi numero di dimensioni spaziotemporali anche se, ad oggi, i dati indicano che viviamo in un Universo caratterizzato da 3 dimensioni spaziali e 1 temporale. Sin dagli anni ’20, sono state formulate altre teorie della gravità, a partire da quella di Kaluza-Klein, che prevedono ulteriori dimensioni spaziali. Oggi, secondo la teoria delle stringhe, si ritiene che queste dimensioni extra ‘invisibili’ siano ‘arrotolate’ o ‘compattificate’ su scale molto piccole, dell’ordine della lunghezza di Planck che è di 10-33 cm, e perciò non possono essere osservate direttamente. Nonostante ciò, sono state elaborate delle teorie che si basano sull’esistenza di dimensioni spaziali molto più grandi se confrontate con la lunghezza di Planck, al fine di risolvere il cosiddetto ‘problema della gerarchia’.

Il punto chiave è capire come mai la scala naturale dell’energia relativa alla gravità quantistica, cioè l’energia di Planck che è di 1019 GeV, sia così grande, circa 17 ordini di grandezza, rispetto alla scala naturale dell’energia relativa alle interazioni fondamentali (ad esempio, la scala di energia della forza elettrodebole è 100 GeV).

Nel modello proposto da N. Arkani-Hamed, S. Dimopoulos e G.R. Dvali, detto scenario ADD, si hanno “n” dimensioni extra compattificate. Ora, un volume decisamente più grande che contiene queste dimensioni maggiorate fa sì che la scala fondamentale di energia della gravità quantistica diventi di molto inferiore rispetto a quella di Planck, diciamo dell’ordine di qualche TeV, e perciò può rientrare nell’ordine di grandezza delle energie prodotte dal Large Hadron Collider (LHC). Anche se la lunghezza scala di queste dimensioni non è stata esplorata dal punto di vista dell’interazione gravitazionale, essa è stata invece studiata nell’ambito degli esperimenti che riguardano la fisica delle particelle. Tuttavia, per evitare che esistano delle contraddizioni con il modello standard delle particelle, lo spaziotempo descritto dallo scenario ADD è composto da una brana quadridimensionale racchiusa da uno spaziotempo le cui dimensioni spaziali sono molto più grandi rispetto alla lunghezza scala di Planck. Tutte le particelle e le forze fondamentali sono confinate nella brana e solo la gravità si può propagare in questa struttura più grande che contiene la stessa brana. Questi modelli, come lo scenario ADD, sono noti anche con il termine ‘brana-universi’.

Una delle conseguenze più spettacolari del modello ADD è la possibilità di esplorare gli effetti della gravità quantistica su scale di energia che possono rientrare negli esperimenti di LHC, ossia la produzione di mini buchi neri durante le collisioni di alta energia. L’idea che sta alla base del processo è molto semplice. Consideriamo due particelle la cui energia prodotta dalla collisione è molto più grande di 1 TeV. In uno spaziotempo quadridimensionale, la cosiddetta “Hoop Conjecture” di Kip Thorne afferma che un mini buco nero si formerà solo se l’energia delle particelle viene compressa in una regione la cui circonferenza è inferiore a 2rH dove “rH” è il raggio di un buco nero di Schwarzschild la cui energia è uguale all’energia totale delle due particelle. In uno spaziotempo che ha più di 4 dimensioni, la “Hoop Conjecture” viene leggermente modificata, ma il principio fondamentale rimane lo stesso: in altre parole, se l’energia delle due particelle che collidono viene compressa in una regione estremamente piccola, allora ci si aspetta la formazione di un mini buco nero. Facendo una serie di calcoli che tengono conto della sezione d’urto delle particelle, si ha che assumendo, ad esempio, una energia di collisione uguale a 1Tev e che il numero delle dimensioni extra sia n=6, si ottiene un mini buco nero ogni secondo che ha una massa di 5TeV/c2. È importante sottolineare che la produzione di mini buchi neri è una possibilità realistica descritta da quei modelli che prevedono dimensioni extra maggiorate, dove cioè la scala fondamentale di energia della gravità quantistica è dell’ordine di 1 – 10 TeV. Le dimensioni di ogni buco nero che andrà a formarsi saranno microscopiche e con un raggio dell’ordine di 10-4 fm (fermi o femtometro; 1fm=10-15m).

Quando si forma in seguito alla collisione delle due particelle, il mini buco nero appare inizialmente molto asimmetrico e poi inizia a ruotare rapidamente, a causa del suo momento angolare. Assumendo che la quantità di energia iniziale del mini buco nero sia alcune volte maggiore della scala di energia della gravità quantistica, si può descrivere la sua geometria in termini della relatività generale, secondo una approssimazione semiclassica. Dunque, l’evoluzione del mini buco nero che si forma in seguito al processo di collisione tra due particelle può essere descritta nei seguenti punti:

  1. balding phase: il mini buco nero perde la sua asimmetria come parte del processo di formazione e inizia a ruotare rapidamente;
  2. spin-down phase: il mini buco nero emette radiazione Hawking, perde massa e momento angolare perciò smette di ruotare;
  3. Schwarzschild phase: il mini buco nero possiede ora una simmetria sferica e continua ad emettere radiazione Hawking;
  4. Planck phase: quando l’energia del mini buco nero diventa compatibile con quella tipica della gravità quantistica, dell’ordine cioè di alcuni TeV, la sua geometria non può essere più descritta dalla relatività generale e tutti gli effetti della gravità quantistica, che sono ignorati nell’approssimazione semiclassica, diventano importanti.

Nonostante i fisici del CERN utilizzino vari processi attraverso i quali viene simulata la formazione di mini buchi neri (CHARYBDIS2 e BlackMax per buchi neri semiclassici e QBH per buchi neri quantistici), ad oggi non esistono evidenze sperimentali in merito alla loro produzione.

L’esperimento ATLAS esclude la formazione di buchi neri semiclassici che hanno masse inferiori a 4TeV/c2 per n=6 ed energie di collisione di 2TeV, mentre CMS esclude la formazione di buchi neri quantistici con masse inferiori a 5-6TeV/c2 ed energie di collisione di 2-5TeV. Insomma, la mancanza di evidenze sperimentali sulla formazione di mini buchi neri permette di porre dei limiti inferiori alla scala di energia della gravità quantistica e, indirettamente, alla elusiva teoria della gravità quantistica.

arXiv: Black holes, TeV-scale gravity and the LHC
arXiv: Phenomenology, Astrophysics and Cosmology of Theories with Sub-Millimeter Dimensions and TeV Scale Quantum Gravity


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