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domenica, luglio 15, 2012

Il bosone di Higgs




Sembrerebbe (ed uso il condizionale perché tutto è falsificabile nell’ambito della ricerca scientifica) che a Ginevra si sia finalmente trovato “il bosone di Higgs”, la particella di Dio, così denominata perché sarebbe l’invisibile particella capace di dare massa e quindi concretezza alle cose, dalla materia inanimata fino a noi. Sebbene il premio nobel Leon Lederman abbia  battezzato come “particella di Dio” il bosone di Higgs, esso con Dio e la cosmogonia biblica non ha niente a che fare. La scienza sta oggi cercando di “UNIFICARE” in un’unica legge naturale, tutti quegli eventi che si verificano in natura dall’infinitamente piccolo all’infinitamente grande. Infatti le moderne teorie sull’infinitamente piccolo (la quantistica) e l’infinitamente grande (la relatività generale) cozzano tra di loro e la scoperte del bosone di Higgs sarebbe un primo passo per “unificare” le due teorie in quella “legge del tutto” alla cui ricerca tutto il mondo scientifico si sta dedicando da anni. Cerchiamo di rendere ora accessibile a tutti la complessità di queste ardite teorie:
Immaginiamo in questa calda estate di fare un bagno nell’acqua. Apparentemente l’acqua è solo una delle componenti fondamentali dell’Universo e per noi un liquido capace d’irrorare le nostre colture o rendere tonico il nostro organismo, ma se guardiamo l’acqua con l’aiuto della scienza, potremo sbriciolarla in composti più piccoli e scopriremo che è composta da molecole formate da due atomi di idrogeno ed uno di ossigeno come tutti sanno. Ma se queste molecole sono costituite da atomi, questi ultimi come sono fatti? Gli atomi sono costituiti da nuclei intorno a cui ruotano gli elettroni dotati di una carica elettrica negativa. E continuando ad esplorare nell’infinitamente piccolo, vediamo che a loro volta i nuclei sono “pieni” di neutroni con carica neutra ed i protoni con carica positiva. Inoltre essi non sono le particelle più piccole del mondo essendo costituiti da quark che possono essere di più tipi (up e down per esempio)e dalla cui combinazione si formano particelle diverse. Un protone, per esempio, è costituito da un quark up ed un quark down, un neutrone da un quark up e quattro down, ma quello che è più interessante è che queste particelle submicroscopiche sono investite da diverse forze della natura che le stimolano e le fanno vivere se vogliamo usare un termine inusuale in fisica teorica. Ci sono i Fotoni che consentono il fenomeno dell’ elettromagnetismo, i gluoni che consentono gli scambi della forza nucleare forte che tiene unito il nucleo e che si rompe solo con le esplosione nucleari, mentre la forza nucleare debole è possibile grazie alle particelle W e Z che sono responsabili della radioattività. Ma manca ancora una forza all’appello, la forza di gravità, molto più debole delle precedenti e sulla cui natura si sta ancora indagando.
Tutto ciò è ipotizzato dai fisici col “Modello standard” e cioè quella teoria che spiega il comportamento delle 12 particelle elementari, alcune delle quali abbiamo testé elencato più le particelle mediatrici delle forze cui vengono sottoposte. Ma guardiamole più da vicino:

Le particelle elementari previste dal modello standard sono 6 tipi di quark e 6 leptoni :

I leptoni sono: L’elettrone, il muone, il tauone più tre tipi di neutrini. I leptoni fanno tutti parte dei fermioni perché hanno spin 1/2 (il momento angolare intorno al proprio asse) e perché sono provvisti di carica, tre con carica positiva e tre con carica neutra. Le loro masse invece sono diverse e solo di recente si è scoperto che anche i neutrini hanno una massa anche se dell’ordine di grandezza che può arrivare ad essere un milione di volte più piccola di quella dell’elettrone. Anche se tutte le verifiche sperimentali del Modello Standard, cioè la presenza di queste particelle e delle forze che su di esse agiscono si sono dimostrate in accordo con le previsioni, tale teoria non può considerarsi completa, dal momento che non include una descrizione della gravità e non è compatibile con la relatività generale. Inoltre il modello standard prevede che se, nei calcoli matematici che ad esso attengono, tutte queste particelle vengono gravate di una massa, tutti i calcoli saltano, non viene più rispettata quella che i fisici chiamano “invarianza di Gauge” e tutto l’apparato fatalmente scompare. A meno che (e qui interviene il genio di Higgs), queste particelle, che non hanno massa, l’acquistino quando vengano immerse in una sorta di gel, una sorta di melassa cosmica costituita appunto dai bosoni di Higgs che, incontrando le particelle, le carichino di massa così come i fotoni caricano di energia le particelle che incontrano. L’esperimento di Ginevra è molto importante sia perché è un’ulteriore conferma della teoria del Big Bang, sia perché costituisce un altro tassello verso il sogno degli scienziati, quello cioè di trovare un campo unificato, una teoria valida a spiegare i fenomeni dell’infinitamente grande come dell’infinitamente piccolo. Ricercare il bosone di Higgs non è stato facile perché esso si cerca lanciando fasci di protoni ad altissima energia all’interno degli acceleratori di particelle e facendoli scontrare. Dalle collisioni si generano molte di quelle particelle elementari (leptoni, quark, bosoni ecc), che abbiamo appena descritto ma, oltre a queste già note, si potrebbe formare anche la “particella di dio”. Essendo poco stabile, questa decade però immediatamente, quindi non si può sperare di osservarlo direttamente nell'Universo, ma cercando i suoi prodotti di degradazione tra enorme mucchio di particelle prodotte a ogni collisione nell'acceleratore. Insomma con questi esperimenti si sta cercando di ricreare le condizioni in cui l’Universo versava quando, per così dire era ancora in fasce ed ancora la materia non esisteva se non allo stato di plasma.
Lo stato di Plasma, è quello in cui si trova a materia in cui i quark e i gluoni sono liberi e non legati tra loro come nella materia ordinaria . Neanche la luce può essere emessa quando l materia è in questo stato, cui si giunge solo ad altissime temperature. Facciamo un esempio sempre con l’acqua che può passare, con l’aumentare della temperatura dallo stato solido(ghiaccio) al liquido, al vapore e quindi a quello di plasma, che ci è meno congeniale. Ma come si è arrivati a formulare la teoria del Big bang?

Vi siete mai chiesto come abbiano fatto gli scienziati a individuare in 13,7 miliardi di anni fa la nascita dell’Universo e come sia avvenuto il Big Bang? Già Olbers nel 1826 si era posto qualche problema al riguardo, ma fu circa un secolo dopo che le osservazioni di Hubble ci mostrarono un universo in espansione con le galassie che si allontanano le une dalle altre con una velocità tanto più grande quanto più grande è la loro distanza reciproca. Quanto più lontana da noi è una galassia, più la sua luce tenderà verso il rosso fino ad emettere radiazioni così lunghe che neppure con i telescopi ad infrarossi o addirittura a microonde si possano osservare. I satelliti che abbiamo inviato nello spazio e i più sofisticati telescopi di cui disponiamo, ci dicono che queste galassie paiono essere ferme nello spazio pur allontanandosi velocemente le une dalle altre. L’evento avviene come se fosse lo spazio a dilatarsi costringendo le galassie, sia pure immobili, ad aumentare la loro reciproca distanza. Gli scienziati sono soliti paragonare il fenomeno a quello di un palloncino gonfiabile con tanti puntini rossi disegnanti sulla sua superficie. Quanto più gonfiamo il palloncino, tanto più i puntini, pur fermi, si allontanano tra di loro. Insomma la dilatazione dell’Universo è insita nella natura stessa dello spazio, che non è immutabile ma in continua evoluzione e c’è da chiedersi da dove provenga la spinta iniziale, quella che precedette il Big Bang calcolato in 13,7 miliardi di anni fa.
Ma torniamo al nostro Universo e vediamo come George Gamow nel 1946 formulò per la prima volta la teoria del Big Bang avvalendosi delle osservazioni di Hubble. Se l’Universo si espande e si raffredda, percorrendo il cammino a ritroso nel suo passato, ne verrà di conseguenza che la stessa quantità di energia o di materia (le due cose sono intercambiabili in determinate condizioni), dovevano essere contenuti in un volume sempre più piccolo ed infine talmente concentrato da avere una temperatura e una pressione elevatissime. A temperature così alte la materia è, come abbiamo visto, allo stato di plasma e, venendo a mancare anche la forza nucleare forte, neanche gli atomi riescono ad aggregarsi tanto che in queste condizioni neanche la luce riesce a viaggiare in linea retta. Quando noi osserviamo la Luna dobbiamo considerare che quella che vediamo è la Luna qual era un secondo prima della nostra osservazione, perché la luce ha impiegato un secondo a compiere la distanza che la separa dalla terra. Similmente il Sole che osserviamo è tale qual era 8 minuti prima, perché appunto tale è il tempo che la luce impiega a raggiungerci dal Sole e, se osserviamo la luminosissima stella Arturo, la sua luce è quella che emetteva 36,7 anni fa. Man mano che osserviamo le stelle più lontane, la loro immagine è quella che avevano nel momento in cui la luce partì da loro diretta verso di noi.
Quindi, spingendoci sempre indietro nel tempo e nello spazio (Einstein ci dice che le due cose sono intimamente connesse), arriveremo a un punto così lontano nel tempo, che ancora non si erano formate le stelle: La temperatura era infatti così alta che la materia era allo stato di plasma (plasma d’idrogeno esattamente) non riuscendo ancora ad aggregarsi ed in queste condizioni, come abbiamo visto, la luce non riesce a viaggiare in linea retta e quindi non potrebbe raggiungerci neanche dopo un percorso di 13,7 miliardi di anni .
Ma che un segnale debolissimo di questo periodo primordiale ci potesse ancora raggiungere come radiazione cosmica di fondo, fu ipotizzato dagli studi teorici di Gamow e due suoi allievi ma fu casualmente captato da altri due scienziati Penzias e Wilson che lo scoprirono mentre lavoravano su una grossa antenna per telecomunicazioni accaparrandosi per questo un premio Nobel nel 1978. Questo segnale che Penzias e Wilson hanno registrato, è una sorta di luce fossile, il “Fondo Cosmico”, che ha viaggiato per 13,7 miliardi di anni prima di raggiungerci e che perciò ci porta un messaggio tangibile delle condizioni fisiche dell'universo primordiale avallando le teorie di Gamov. L'abisso nero del cielo, oltre le stelle e le galassie, porta il segno dell'origine il che mi affascina e mi sconcerta.
Con i moderni satelliti artificiali è stato infatti possibile studiare il “Fondo Cosmico” arrivando a “vedere” come era l’Universo nella sua prima infanzia, appena cioè si era raffreddato abbastanza da permettere la formazione degli atomi. Prima non esistevano né lo spazio né il tempo. E le osservazioni hanno confermato la teoria. Quello che si “vede” è che la temperatura doveva essere di circa un miliardo di gradi e tutto l’Universo era paragonabile a una Stella nel cui interno avvenivano le stesse reazioni termonucleari che caratterizzano i nostri astri. Il mistero comincia a diradarsi. Continuiamo a cercare!




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