Le nuove sfide della fisica contemporanea

fisica
(Credits: Luigi Selmi/Flickr CC)

Aver catturato a Lhc la particella più ricercata della fisica moderna ci permette di ricostruire in dettaglio il meccanismo della rottura spontanea della simmetria elettrodebole. Detta così sembra una cosa da addetti ai lavori, ma sotto i termini tecnici si nasconde una questione che ci riguarda da vicino. Oggi sappiamo perché le cose hanno assunto quella particolare struttura materiale che ci è così familiare.

Per provare a immaginare lo scenario torniamo indietro di 13,8 miliardi di anni, quando l’Universo si è appena formato. La materia ha una forma molto peculiare, del tutto diversa da quella cui siamo abituati; il baby universo è una specie di enorme struttura gassosa costituita da particelle prive di massa; si muovono freneticamente in un ambienteincandescente e tutte le forze fondamentali vanno a braccetto fra loro. È uno stato in cui vige la più perfetta delle simmetrie, ma che non rende possibile alcuna aggregazione in atomi e molecole. Uno stato primigenio, puro, nel quale, d’un tratto, succede qualcosa destinato a cambiarne il destino nei miliardi di anni a venire. In un momento magico, che
oggi possiamo collocare quando è passato appena un centesimo di miliardesimo di secondo dopo il Big Bang, la temperatura scende abbastanza da far sì che la miriade di bosoni di Higgs, che fino a un attimo prima vagava ovunque, si cristallizza in un campo scalare che occupa l’universo intero. Il nuovo venuto separa definitivamente l’interazione debole da quella elettromagnetica e assegna una massa specifica alle particelle elementari che possono così aggregarsi a formare prima protoni stabili, poi atomi, stelle,
galassie e pianeti, fino a giungere a noi. Le cose, tutte le cose, comprese le forme di vita che sono scaturite al culmine di una lunga evoluzione, hanno avuto origine dalla sottile imperfezione che ha rotto quella perfetta simmetria.

Se ora si passa dal mondo delle particelle elementari a quello delle gigantesche strutture cosmiche, anche qui, si è prodotta una rottura altrettanto importante. I segnali di onde gravitazionali captati da Ligo sono la conferma sperimentale che lo spazio-tempo si comporta come una specie di rete, elastica e sottile. Quando le sue maglie vengono percosse con violenza, l’intera struttura finisce per vibrare e oscillare, generando onde che percorrono distanze enormi e si propagano, debolissime, fino alle galassie più lontane. Per la prima volta siamo stati capaci di ascoltare questi delicati messaggeri che continuano a
raccontare l’evento meraviglioso e terribile che li ha originati.

Ma è anche la prima volta in cui è stato possibile osservare un sistema binario di buchi neri: vedere cioè due massicci corpi celesti che si precipitano l’uno verso l’altro, ruotando vorticosamente, alla spaventosa velocità di 150.000 km/s per poi fondersi in un unico oggetto pesante quanto sessanta Soli. L’immane catastrofe ha perturbato così violentemente lo spazio-tempo che le onde gravitazionali che ne sono scaturite ci hanno raggiunto dopo aver percorso una distanza di un miliardo e 400 milioni di anni luce. Per la prima volta è stata registrata sul pianeta Terra energia che è sfuggita dall’orizzonte degli eventi di un buco nero; abbiamo raccolto un’informazione preziosa che ci permetterà di studiare e capire meglio questi corpi così strani, che sembrano giocare un ruolo importantissimo nella dinamica del nostro universo. Con questa scoperta si apre l’era dell’astronomia gravitazionale: utilizzando questa nuova lunghezza d’onda, sarà possibile osservare nuovi fenomeni che ci erano completamente sconosciuti e costruire una nuova e più completa mappa del cielo.

Le due scoperte non sono solo la conferma di fenomeni previsti da decenni: l’uno ipotizzato da Brout, Englert e Higgs nel 1964, l’altro da Einstein nel lontano 1916. Come spesso succede i nuovi venuti si sono già trasformati a loro volta in strumenti di ricerca. La speranza segreta di molti di noi è che sia possibile far leva su queste scoperte per affrontare alcune delle sfide principali della fisica contemporanea: per esempio la materia oscura e l’ origine dell’inflazione. Sappiamo che circa un quarto dell’Universo è costituito da enormi strutture di materia nonluminosa che tengono assieme i grandi ammassi. Le stesse galassie a spirale, come la nostra via Lattea, oltre alla materia visibile – stelle, polveri e il grande buco nero che quasi sempre sta al centro della spirale – contengono enormi quantità di un altro ingrediente non meglio identificato. Se così non fosse, le stelle periferiche non potrebbero muoversi alla velocità osservata, ma dovrebbero essere molto più lente. Conclusione: una forma di
materia invisibile, inspiegabile, che non fa luce e che viene perciò chiamata «oscura», avvolge completamente le galassie, riempie tutto lo spazio che occupano e le circonda, su dimensioni enormi, con una specie di gas pesante e sottile la cui composizione ci è completamente sconosciuta. Nessuna delle particelle note, descritte dal Modello Standard è in grado di spiegare questo fenomeno e le ricerche dirette di particelle esotiche, che potrebbero invece farlo, non hanno, per ora, prodotto risultati.

Un grosso aiuto a questa indagine potrebbe venire dai nuovi studi sul bosone di Higgs. Si pensa di produrne centinaia di milioni, in condizioni controllate, per misurarne con grande precisione tutte le caratteristiche. Questa particella così speciale interagisce infatti con tutte le altre particelle, sia quelle note che quelle non ancora scoperte. Se si trovasse la più piccola delle anomalie, ecco che avremmo l’evidenza indiretta che c’è un altro mondo al di fuori del Modello Standard. Lì potremmo trovare spiegazioni all’enigma delle particelle che compongono la materia oscura e forse avremmo indicazioni sulla regione di energia in cui cercarle.

Sappiamo anche che il nostro Universo è nato da una minuscola “bollicina” di dimensioni infinitesime, che si è espansa in modo ultra-rapido. Un oggetto di proporzioni insignificanti che è diventato macroscopico e di dimensioni gigantesche in un tempo ridicolmente piccolo. È il fenomeno che chiamiamo inflazione cosmica. Si pensa che sia stato scatenato da una particella scalare, simile al bosone di Higgs, che viene chiamata convenzionalmente inflatone, che si è piazzata nella microscopica fluttuazione quantistica
del vuoto da cui è nato il tutto. Per capire esattamente cosa è successo in quei primissimi istanti della nostra storia e identificare l’ inflatone occorreranno nuovi e più raffinati studi per i quali potrebbero venirci in aiuto le onde gravitazionali.

Qualcuno di noi si spinge ad immaginare che riusciremo, prima o poi, a registrare persino le onde gravitazionali fossili, quelle originate direttamente dal Big-Bang, ben prima che la luce si separasse dalla materia 380mila anni dopo. Sappiamo che ancora oggi fluttuano, intorno a noi, quelle impercettibili perturbazioni dello spazio-tempo, residuo del turbinio di onde gravitazionali emesse durante la fase inflazionaria. Chi riuscisse a spingere la sensibilità degli attuali strumenti al punto da poterle rivelare potrebbe ricostruire, in tutti i dettagli, quel momento straordinario. Per certi versi il racconto della nascita del nostro Universo echeggia ancora intorno a noi: la sfida straordinaria che si è aperta è di riuscire a percepire quel sottile bisbiglio.

È possibile commentare l’articolo nella community di Futuro Remoto (http://www.cittadellascienza.it/futuroremoto/2016/piazza/). Guido Tonelli sarà ospite della XXX edizione di Futuro Remoto il prossimo 8 Ottobre a Napoli”

Articoli correlati

LASCIA UN COMMENTO

Please enter your comment!
Please enter your name here