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Autore: G. Francesco Tartarelli
E-mail: [email protected]
Documentario: LHC, la macchina del tempo
Clip del documentario: Da 0:31 a 2:33
Regista: Jean Leyder
Produzione: CERN
Advanced level – Spiegazione per ragazzi 14-18 anni
Qual’e’ l’origine dell’Universo? Questa e’ sempre stata una domada difficile alla quale
rispondere: anche oggi che abbiamo una teoria per spiegare com’e’ nato l’universo.
La teoria ha origine dall’osservazione dell’astronomo Edwin Hubble che, studiando la
lunghezza d’onda della luce emessa dalle galassie, dedusse che esse si stavano
allontanando l’una dall’altra (1929). Questo porto’ alla conclusione che l’universo si sta
espandendo, e che si sta espandendo in ogni direzione. Come spiegare l’espansione
dell’universo? La teoria del Big Bang ritiene che l’universo sia emerso da un singolo
stato estremamente caldo e denso. Poi l’universo si e’ espanso e raffreddato fino allo
stato attuale. Ci sono una serie di conseguenze di questa teoria che devono essere
chiare.
Prima di tutto, la teoria del Big Bang implica che l’universo non e’ una entita’ statica.
Albert Einstein nel 1917 pensava ancora che l’universo fosse immobile. Oggi noi
sappiamo che si sta muovendo (le galasie si stanno espandendo): esso ha avuto un
inizio e potrebbe avere una fine. Studi successivi hanno stabilito che l’eta’
dell’universo e’ di circa 13.7 miliardi di anni.
Tutti abbiamo un’idea di com’e’ fatta un’esplosione: un improvviso e violento rilascio di
energia attraverso detriti e gas caldi nel mezzo circostante, in genere aria. Ci sono
tante differenze tra questa immagine e quella del Big Bang ma una e’ particolarmente
importante. Non c’era niente attorno al punto di origine dove tutto era concentrato.
L’universo non ha cominciato a espandersi in qualcos’altro. Tutto, davvero tutto,
comincia col Big Bang. Non si deve neppure pensare che tutta la materia (incluse le
galassie) fosse in qualche maniera concentrata e impacchettata tutta in un punto e
che, dopo il Big Bang, abbia cominciato ad espandersi. Al’inizio non c’era alcuna
materia, c’era solo una straordinaria densita’ di energia tutta concentrata in un punto.
Come provare che la teoria del Big Bang e’ vera? Non e’ possibile mettere in piedi un
altro Big Bang affinche’ lo possiamo studiare. Tuttavia, la teoria del Big Bang fa delle
predizioni e noi possiamo dedurre la validita’ della teoria verificando queste predizioni.
Come capire cosa e’ successo nei primi istanti dopo il Big Bang? L’universo come lo
vediamo oggi e’ fortemente dipendente da cio’ che e’ accaduto a quel tempo:
studiando le proprieta’ dell’universo di oggi possiamo dedurre cosa dovrebbe essere
accaduto all’inizio della vita dell’universo.
I primi istanti della vita dell’universo sono, come prevedibile, i piu’ incerti. I fisici
credono che ad altissima energia, come quella dall’inizio dell’universo fino a 10-44 s
(energia di circa 1019 GeV) tutte le forze note (gravitazionale, forte, debole e
elettromagnetica) erano unificate in una singola forza. Questa era e’ chiamata era
della gravita’ quantistica. Tuttavia, non c’e’ ancora una teoria completamente
soddisfacente per questo periodo di tempo.
A tempi successivi abbiamo due forze: la gravita’ e una forza che unifica le interazioni
forti, deboli ed elettromagnetiche. Questa e’ l’era della Grande Unificazione per la
quale varie teorie esistono. A circa 10-35 s (energia di circa 1014 GeV) solo la forza
debole ed elettromagnetica sono ancora unificate. A questo tempo l’universo’ e’ come
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una zuppa che contiene quark, gluoni, fotoni e letponi (elettroni, neutrini,...) insieme
alle loro rispettive antiparticelle e un’altra particella nota come bosone di Higgs. Se
crediamo un una teoria nota come Supersimmetria, l’immagine e’ piu’ complicata dato
che molte altre particelle sono presenti: una di queste e’ particolarmente importante
perche’ potrebbe essere una candidata per la materia oscura osservata nell’universo.
Particelle e antiparticelle si annichilano l’una con l’altra. Se ci fosse una completa
simmetria tra particelle e antiparticelle sarebbe difficile capire come siamo arrivati
all’universo attuale che e’ fatto di materia e (almeno per quanto lontano possiamo
osservare) non da antimateria. La teoria che spiega come questo sia potuto accadere
e’ chiamata bariogenesi e richiede, tra l’altro, l’esistenza di processi che violano la
simmetria CP (dove C e’ la coniugazione di carica e P e’ l’operatore parita’).
A 10-14 s dopo il Big Bang (energia dell’ordine di 102 GeV) l’unificazione della forze
deboli e elettromagnetiche si rompe. Il meccanismo per la rottura della simmetria e’
fornito dal bosone di Higgs. Particelle che interagiscono con l’Higgs (come i leptoni e i
quark) acquistano una massa. Questo e’ un punto chiave per capire l’origine della
materia. Mentre c’e’ largo consenso che questo e’ il meccanismo giusto, il bosone di
Higgs non e’ ancora stato osservato.
Insieme alle misure astrofisiche e cosmologiche, la fisica delle particelle, come gia’
detto, puo’ contribuire in maniera sostanziale alla definizione di questo quadro.
Il Large Hadron Collider (LHC) e’ un acceleratore protone-protone che comincera’ ad
operare al CERN, il Laboratorio Europeo per la Fisica delle Particelle, nel 2007. Esso
sara’ l’acceleratore piu’ energetico mai costruito raggiungendo una energia di 14 TeV
nel centro di massa delle collisioni dei protoni. Dato che i protoni sono particelle
composite fatte di quark e gluoni, la vera collisione elementare e’ tra una coppia di
queste particelle, chiamate anche partoni. I partoni trasportano solo una frazione
dell’impulso del protone, cosi’ che alla fine l’energia resa disponibile nelle collisioni per
la creazione di nuove particelle e’ dell’ordine di 1 TeV. Questa energia dovrebbe
essere abbastanza per testare il meccanismo della rottura della simmetria
eletrodebole. Invero una delle piu’ grosse priorita’ degli esperimenti di LHC e’ di
trovare il bosone di Higgs che altri studi suggeriscono potrebbe avere una massa di
meno di 200 GeV. Se troviamo il bosone di Higgs finalmente avremo una risposta
all’origine della massa delle particelle.
Per una serie di ragioni I fisici credono che una estensione della teoria che governa la
nostra attuale conoscenza della fisica delle particelle, il cosidetto Standard Model, sia
necessario. La nuova teoria proposta si chiama “supersimmetria” (SUSY). La
supersimmetria potrebbe anche fornire un quadro per l’unificazione della gravita’ con
le altre forze. Una assunzione di questa teoria e’ che ogni particella del modello
standard ha un partner supersimmetrico. La simmetria non e’ perfetta e le particelle
supersimmetriche sono piu’ pesanti delle particelle dello standard model. Questo
dovrebbe spiegare perche’ la supersimmetria non e’ ancora stata scoperta. Tuttavia
se SUSY esiste dovrebbe essere visibile a LHC. Inoltre SUSY fornisce un particella
candidata alla soluzione del problema della materia oscura. Varie osservazioni
astronomiche di effetti gravitazionali suggeriscono che la materia nell’universo e’
molta di piu’ di quella visibile. La presenza di materia addizionale oltre a quella
conosicuta e’ anche necessaria durante l’evoluzione dell’universo per la formazione
delle strutture. Questo e’ uno dei piu’ grandi misteri nella scienza di oggi.
Ricordiamo anche l’importanza della violazione di CP nella bariogenesi. Sebbene la
violazione di CP sia stata osservata, questa non e’ un fenomeno noto molto bene. La
violazione di CP, come descritta nello standard model e come misurata dai dati
sperimentali odierni, e’ troppo piccola per spiegare l’asimmeria materia-antimateria
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dell’universo. Questo spinge a nuovi studi e a cercare nuove sorgenti di violazione di
CP. Ogni estensione del modello standard, inclusa la SUSY, prevede queste sorgenti.
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