GUT, la necessità di unificare la fisica

La fisica delle particelle ha fatto grandi passi durante gli anni ’70. Gli Stati Uniti e l’Europa videro la realizzazione di nuovi acceleratori da cui emersero particelle inaspettate che i teorici tentarono di spiegare, predicendo anche l’esistenza di altre particelle a cui dare la caccia. Il risultato fu quello che oggi è noto come modello standard delle particelle elementari e delle interazioni, una teoria che si può considerare come una sorta di catalogo dei bit fondamentali della materia e delle forze che li governano.

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Nuovi scenari per l’astronomia gravitazionale

L’annuncio relativo alla rivelazione delle onde gravitazionali da parte del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ha causato una grande eco nell’ambito della comunità dei fisici e astronomi al punto che adesso si dovrà iniziare davvero ad esplorare più in profondità questa nuova finestra sull’Universo. Come è stato già detto, il segnale, registrato il 14 Settembre 2015 da entrambi gli interferometri LIGO, è stato prodotto dalla fusione di due buchi neri di massa iniziale pari a circa una trentina di Soli. Ciò ha permesso agli scienziati di risolvere immediatamente un enigma astrofisico in quanto l’esistenza di binarie di buchi neri era stata messa in dubbio. Ulteriori osservazioni potranno fornirci preziosi indizi sulla natura di oggetti esotici come le stelle di neutroni e le supernovae. Ma siamo solo all’inizio. Le onde gravitazionali ci permetteranno di esplorare non solo alcuni aspetti della fisica fondamentale ma possibilmente potranno portarci ai primi istanti di vita dell’Universo. La domanda è: quali misteri della cosmologia potremo mai risolvere ora che siamo entrati nell’era dell’astronomia gravitazionale?

L’eterna vita del protone

Tutto ciò che ci circonda è fatto di atomi, persino noi stessi, e tutti quegli atomi sono fatti di tre costituenti: protoni, neutroni ed elettroni. Protoni e neutroni sono molto simili, essendo composti dagli stessi quark, particelle ancora più piccole, e hanno quasi esattamente la stessa massa. Tuttavia, i neutroni sono in qualche modo differenti dai protoni: essi non sono stabili perché al di fuori di un nucleo atomico, dopo qualche minuto decadono in altre particelle. E’ possibile che i protoni abbiano un tempo di decadimento finito, seppur lungo?

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

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