La nuova avventura di LHC

Nella fisica delle particelle, si sa, l’obiettivo principale è quello di studiare la struttura della materia. Il Large Hadron Collider (LHC) è proprio lo strumento più adatto, e il più grande che sia mai stato costruito, che come una sorta di microscopio gigante ci permette di esplorare le proprietà delle particelle elementari e le loro interazioni che insieme rappresentano lo scheletro della materia al livello più fondamentale. La comunità scientifica è in trepidante attesa per i nuovi esperimenti che caratterizzeranno il Run 2 di LHC anche perchè potrebbero cambiare la nostra comprensione dell’Universo. Fisici ed ingegneri hanno già effettuato gli ultimi controlli dopo due anni di manutenzione che hanno portato il grande acceleratore a raddoppiare l’energia di collisione portandola al valore di 13-14 TeV. Al momento, nell'anello di 27 Km si stanno completando tutta una serie di test che termineranno con l'inizio delle vere e proprie collisioni a partire, secondo le previsioni, da questo mese di Maggio. Dopo il successo ottenuto a seguito della scoperta del bosone di Higgs, o meglio di una particella che tanto gli assomiglia, tra gli obiettivi che si propongono i fisici quello di trovare tracce di nuove particelle in una sorta di corsa contro il tempo che ha quasi del fantascientifico.

I temi 'oscuri' della cosmologia

Il modello cosmologico standard, detto Lambda-CDM, si basa su 6 parametri che concordano con i dati osservativi. Nonostante sia alquanto semplice, il modello presenta delle stranezze poichè esso implica che la maggior parte della materia nell’Universo è presente sottoforma di materia scura, costituita da un tipo di particella subatomica che non è stata ancora rivelata in laboratorio, e che la maggior parte dell’energia associata allo spazio vuoto è presente invece in una forma di energia scura. L’esistenza di queste enigmatiche e oscure componenti richiede la necessità di utilizzare alcune estensioni del modello standard delle particelle elementari, come ad esempio la supersimmetria, e indicano che la relatività generale viene meno su scale cosmologiche. Una volta John Archibald Wheeler andava riassumendo così la “geometrodinamica”, come egli preferiva chiamare la teoria della relatività: “lo spaziotempo dice alla materia come muoversi e la materia dice allo spaziotempo come curvare”. I cosmologi osservano il moto degli atomi, sia nella forma di gas che di stelle, oppure seguono le traiettorie della luce che si propaga nello spazio per derivare la sua geometria. Queste misure della curvatura dello spaziotempo vengono utilizzate per determinare indirettamente la distribuzione totale della materia e dell’energia. Ma il fatto più importante è che ad oggi la materia ordinaria, cioè la materia visibile composta dagli atomi, rappresenta solamente il 5 percento del contenuto materia-energia dell’Universo.

METI, il dibattito sui messaggi interstellari

Se è vero che una delle domande che si pone da sempre l'umanità, e cioè se siamo soli nell'Universo, rimane ancora senza risposta è anche vero che ci si chiede se vale la pena trasmettere nello spazio dei messaggi interstellari che annuncino la nostra presenza. Forse, come pensa qualcuno, dovremmo solo ascoltare. Comunque sia, da quando è iniziata l'era della ricerca delle intelligenze extraterrestri con il programma SETI (Search for Extra Terrestrial Intelligence), nella maggior parte dei casi i radioastronomi hanno utilizzato solamente delle strategie di ascolto.

Singolarità? No, grazie!

E' quanto emerge da due articoli che hanno come autore principale Ahmed Farag Ali, un fisico della Zewail City of Science and Technology e della Benha University, entrambi in Egitto. Essi stanno facendo il giro della rete grazie soprattutto alle sorprendenti ipotesi che gli autori introducono sull'argomento della singolarità gravitazionale, sia per ciò che riguarda l'origine dell'Universo (Big Bang), ma anche per quanto concerne gli oggetti astrofisici più enigmatici e misteriosi che esistono in natura (buchi neri).

Breve storia del modello standard

Quella che segue è una panoramica relativa agli ultimi sviluppi della migliore teoria che ci permette di descrivere le particelle elementari e le interazioni fondamentali: stiamo parlando del modello standard. Esso si basa su teorie di gauge, dette anche teorie di scala, cioè una classe di teorie di campo basate sull'ipotesi dell'invarianza di alcune simmetrie, di cui la prima è stata l’elettrodinamica quantistica, che descrive le interazioni elettroni-luce. Questa venne più tardi incorporata nella teoria elettrodebole, relativa alle interazioni elettromagnetica e nucleare debole. Nel corso del tempo, il modello standard incluse anche la cromodinamica quantistica che descrive l’interazione nucleare forte. L’ultimo tassello mancante del modello standard è stato il bosone di Higgs, scoperto nel 2012 al CERN. Nonostante ciò, la teoria delle particelle e delle interazioni è ancora lontana dall’avere l’ultima parola dato che esistono molti punti oscuri che dovranno essere risolti.

La ricerca di esopianeti potenzialmente abitabili

Da secoli l’umanità si interroga sulla questione che riguarda l’esistenza di altre civiltà aliene: siamo gli unici esseri intelligenti che popolano l'Universo? Sin già dai tempi del Medioevo si riteneva che dovessero esistere altri mondi e, forse, qualcuno di questi avrebbe ospitato una eventuale forma di vita aliena. Oggi, grazie allo sviluppo tecnologico e al progresso scientifico, possiamo cominciare a dare delle risposte a queste domande. La scoperta di numerosi pianeti extrasolari suggerisce che il nostro sistema planetario non è l’unico. Gli esopianeti sono un fenomeno comune, almeno nella Via Lattea, anche se la maggior parte di essi sono corpi celesti giganti, tipicamente delle dimensioni di Giove, che non possono ospitare la vita come noi la conosciamo. Tuttavia, esistono sistemi planetari in cui sono stati rivelati oggetti più piccoli, cioè corpi celesti rocciosi che hanno le dimensioni dei pianeti di tipo terrestre. Nel corso dei prossimi anni, lo studio ed il perfezionamento di tutta una serie di tecniche e metodi di indagine ‘alternativi’ ci permetteranno di analizzare sempre più in dettaglio le atmosfere planetarie per scoprire se sono presenti tracce di composti chimici, come ad esempio l’anidride carbonica, l’acqua o il metano, indicatori biologici legati all'esistenza di eventuali forme di vita elementare. Forse, solo allora potremo affermare di aver trovato una nuova Terra.

Una nuova teoria sulla simmetria di scala

Sebbene le galassie siano molto più grandi degli atomi, un pò come gli elefanti rispetto alle formiche, alcuni fisici iniziano a pensare che le differenze tra le dimensioni potrebbero essere una mera illusione. Forse, la descrizione fondamentale dell’Universo non include i concetti di “massa” e “lunghezza”, implicando il fatto che nella sua vera essenza la Natura potrebbe non avere un senso intrinseco del concetto di scala delle misure.

La complessità dei buchi neri

Nel corso di questi anni, la ricerca di una teoria unificata ha portato diversi fisici teorici ad introdurre una serie di argomentazioni nel tentativo di conciliare le due migliori descrizioni del mondo macroscopico (relatività generale) e di quello microscopico (meccanica quantistica). In particolare, un fisico teorico di nome Leonard Susskind ha presentato diverse idee spesso non facilmente intuitive, come ad esempio la teoria delle superstringhe o il concetto in base al quale il nostro Universo tridimensionale potrebbe essere in realtà un ologramma bidimensionale. Oggi egli è parte di un piccolo gruppo di scienziati che stanno ragionando su un nuovo concetto altrettanto bizzarro: in altre parole, la chiave verso quella che viene definita “la teoria del tutto” dovrà essere trovata nell’ambito della scienza dei computer, nota anche come complessità computazionale. Certamente, non si tratta di una disciplina della fisica dove esplorare i processi più fondamentali ma essa è legata a qualcosa di più pratico e riguarda il numero di operazioni logiche che sono necessarie per eseguire un algoritmo. Se questo approccio funzionerà, allora secondo Susskind esso potrebbe risolvere uno dei problemi teorici più impegnativi di questi anni, cioè il paradosso dell’informazione dei buchi neri, il che implicherebbe la non validità della meccanica quantistica e della relatività generale. In più, il metodo della complessità computazionale potrebbe fornire ai teorici un nuovo modo di comprendere i concetti di spazio e tempo utilizzando semplicemente delle idee basate sostanzialmente sulla informazione.

SETI, entro vent'anni il 'primo' contatto

La domanda se siamo soli nell’Universo sta diventando ormai molto vecchia. Esistono delle storie su questo argomento che risalgono persino agli antichi greci e sembra difficile credere che anche i primi esseri umani comparsi sul nostro pianeta non abbiano mai volto lo sguardo verso il cielo chiedendosi se esistono altri esseri come loro da qualche parte nello spazio. Rispetto ai nostri antenati, oggi abbiamo una tecnologia sufficientemente avanzata e adeguata che ci permette di affrontare il problema secondo il metodo scientifico. Dunque, trovare che esistono intelligenze extraterrestri potrebbe definire il nostro posto nello spazio cosmico. Inoltre, una tale scoperta completerebbe la cosiddetta rivoluzione copernicana. Circa 470 anni fa, le meticolose osservazioni del cielo ed il ragionamento scientifico ci portarono a comprendere il nostro ruolo nell’Universo. Oggi, lo scopo della ricerca SETI (Search for Extra Terrestrial Intelligence) è quello di comprendere in quale piano intellettivo noi esseri umani ci poniamo rispetto ad eventuali esseri intelligenti nell’Universo. Insomma, le nostre capacità intellettive sono uniche o sono semplicemente le sole che esistono tra tante altre?

L’Universo potrebbe non essere ‘naturale’

Ad una conferenza tenutasi lo scorso mese di Aprile presso la Columbia University, il fisico teorico Nima Arkani-Hamed dell’Institute for Advanced Study di Princeton, ha discusso alcuni recenti risultati dalle implicazioni contraddittorie relativi agli esperimenti condotti al Large Hadron Collider (LHC).

È tempo di pensare ad una ‘nuova’ fisica?

Qualche secolo fa, gli scienziati andavano affermando che non ci fosse più nulla da scoprire, un pensiero che venne ben presto superato quando agli inizi del XX secolo vennero prima formulati i concetti base della teoria dei quanti, ad opera di Max Planck, e qualche decennio più tardi la teoria della relatività generale, grazie al genio di Albert Einstein. Oggi, dobbiamo dire che tra i fisici non c’è più quell’arroganza anche perché la relatività ci ha fornito un modello estremamente accurato dell’Universo che siamo in grado di osservare. Nonostante ciò dobbiamo tener conto di tutta una serie di altri modelli che tentano invece di spiegare quei fenomeni fisici “invisibili” che rimangono ancora un mistero. Di fatto, il sogno degli scienziati del XXI secolo è quello di riconciliare i due pilastri fondamentali della fisica e cioè da un lato la relatività generale e dall’altro la meccanica quantistica (vedasi Idee sull’Universo). Ma allora, è forse giunto il momento di introdurre un cambiamento radicale a partire dalle questioni più fondamentali? Vedremo nei seguenti paragrafi quali sono i temi fondamentali che i fisici stanno oggi discutendo e quali potrebbero essere i passi successivi verso una comprensione più profonda dei fenomeni naturali. 

Il multiverso e l’idea dell’infinita ripetizione delle storie

Tra i tanti temi di cui si occupa la cosmologia moderna uno riguarda il concetto di multiverso, cioè la possibilità che esistano infiniti universi e perciò infiniti mondi che potrebbero ospitare altrettante terre con forme di vita differenti. Ma è davvero così? Nonostante questa idea sia alquanto affascinante, tuttavia qualche scienziato rimane molto scettico. È il caso di due ricercatori spagnoli che hanno pubblicato di recente un articolo dove criticano l’idea dell’infinita ripetizione delle storie, che è strettamente collegata al concetto di storie alternate, ma anche a quello degli universi paralleli o persino all’interpretazione dei molti mondi (vedasi Enigmi Astrofisici).

Il 'muro di fuoco', un nuovo paradosso sui buchi neri

In un recente articolo apparso su Simons Foundation dal titolo Alice and Bob Meet the Wall of Fire, Jennifer Ouellette riporta le ultime idee bizzarre emerse al workshop di Stanford tenutosi a Novembre dell'anno passato su un nuovo paradosso che riguarda gli enigmatici buchi neri. Di solito, quando vengono proposti alcuni esperimenti mentali i protagonisti principali si chiamano Alice e Bob. Oggi, però, pare che i due ragazzi siano arrivati ad un bivio. Tra i due, la più avventuriera e piuttosto spericolata Alice vuole saltare in un buco nero molto massiccio, lasciandosi alle spalle lo sconsolato Bob che rimane al di là dell’orizzonte degli eventi, cioè quella regione ideale superata la quale niente, nemmeno la luce, può tornare indietro. Ma vediamo un pò più in dettaglio di che cosa si tratta.

Materia scura, siamo sulla ‘soglia’ di una scoperta?

Sono passati più di 2000 anni dai tempi in cui l’uomo si chiedeva di cosa siamo fatti, di che cosa è fatto l’Universo che circonda. Abbiamo pensato che tutto ciò che brillasse intorno a noi, sia sulla Terra che nello spazio, costituisse tutta la materia presente nell’Universo. Ma gli scienziati hanno scoperto che non è tutto ciò che brilla nella luce che caratterizza l’Universo piuttosto ciò che si nasconde nell’oscurità. C’è quindi un problema: il contenuto di tutta la materia visibile nell’Universo è solo il 4-5% circa. Dov’è tutto il resto? Si ritiene che la cosiddetta materia scura contribuisca a circa il 23% del contenuto materia-energia dell’Universo, anche se gli scienziati non hanno idea di che cosa si tratti dato che non è possibile osservarla direttamente (per questo motivo è stata definita con l’aggettivo “scura”). Dunque, come possiamo rivelarla e, se un giorno saremo in grado di farlo, che tipo di informazione ricaveremo sulla natura dell’Universo?

SUSY, idee alternative per una nuova fisica

Dopo che gli ultimi esperimenti realizzati al Large Hadron Collider (LHC) non hanno portato alla scoperta di quelle particelle la cui esistenza è prevista dalla teoria, la fisica sembra ritornare ad uno “scenario da incubo”. Era il 1982 quando il fisico lettone Mikhail Shifman fu attratto da una teoria elegante, nota come supersimmetria, che tentava di descrivere tutte le particelle elementari note in un nuovo e più completo quadro dell’Universo. “I miei articoli produssero un vero e proprio entusiamo all’epoca”, afferma Shifman, oggi professore di fisica all’età di 63 anni presso l’Università del Minnesota. Nel corso degli anni, egli assieme ad altre migliaia di fisici hanno sviluppato tutta una serie di ipotesi e modelli consapevoli che gli esperimenti avrebbero confermato l’esistenza della supersimmetria. “Nonostante ciò, la natura non sembra mostrarsi favorevole, almeno non nella sua forma più semplice”, afferma Shifman.

Verso l'esplorazione dell'Universo delle origini

La cosmologia è quella branca dell’astronomia che studia l’intero Universo. Attualmente, il modello cosmologico standard rappresenta il quadro migliore per descrivere l’evoluzione dell’Universo, ma non la sua origine, ed esistono alcuni scenari che ci forniscono delle indicazioni su quale sarà il suo destino. Nonostante ciò, ricostruire la storia cosmica non è così facile. Infatti, i cosmologi possono essere paragonati agli archeologi che andando ad analizzare i resti fossili tentano di ricostruire, seppure parzialmente, il passato della Terra spingendosi fino ad epoche dell’ordine di migliaia o milioni di anni fa.

SETI, quell'oscuro silenzio

Da oltre cinquant’anni, la ricerca di civiltà extraterrestri non ha ancora fornito una prova scientifica della loro esistenza. Per questo motivo, non sappiamo neanche se la vita, a qualsiasi livello, esista effettivamente al di là del nostro pianeta. La ricerca di civiltà aliene, anche se esse sono là fuori da qualche parte nella nostra  galassia o magari in altre galassie, è un progetto a lungo termine che richiederà ancora anni se non addirittura secoli. Tuttavia, le nuove strategie di ricerca, accompagnate dal progresso tecnologico e dalla costruzione di nuovi e più sofisticati strumenti di indagine, indicano che ci sono buone ragioni per ritenere che il successo di un “primo contatto” possa avverarsi entro qualche decennio. 

LHC, che cosa hanno osservato ATLAS e CMS?

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. 

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

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.