dall`unificazione della fisica ala grande esplosione dell`Universo

HIGGS
DALL’UNIFICAZIONE DELLA FISICA
ALLA
GRANDE ESPLOSIONE
DELL'UNIVERSO
Claudio Firmani
UNAM--INAF
UNAM
uno sguardo al
MICROMONDO
Per unificazione della fisica si intende
l’unificazione delle quattro forze fondamentali
elettromagnetica
nucleare debole
nucleare forte
gravitazionale
questo è il progetto più ambizioso della
fisica del XX secolo
PARTICELLE ELEMENTARI
Particelle subatomiche
fotone
elettrone
protone (composto)
neutrone (composto)
neutrino
Uno sviluppo ulteriore della fisica conduce al
Modello Standard
fermioni
bosoni
fermioni
bosoni
fermioni
bosoni
particelle
di scambio
Come possono le forze
essere rappresentate da
uno scambio di bosoni ?
Forza attrattiva
Forza repulsiva
Decadimento β
La descrizione di questo processo conduce al
bosone di Higgs
La teoria del campo elettromagnetico fornisce un
formalismo ben strutturato per descrivere delle
interazioni
ma nel caso delle interazioni deboli questo
formalismo avrebbe il difetto di introdurre
particelle di scambio con massa nulla in conflitto
con l’esperimento
una opportuna manipolazione del formalismo
permette di ovviare a questo inconveniente
ma per ottenere tale risultato è necessario
introdurre un campo scalare di Higgs
fermioni
bosoni
Il bosone di Higgs è stato scoperto nel 2012, dal 1964
era stato proposto come congettura puramente teorica.
LARGE HADRON COLLIDER
LHC È UNO STRUMENTO STRATEGICO PER
VERIFICARE LA FISICA AD ALTE ENERGIE
DEL MODELLO STANDARD
RIGUARDO
ALL’UNIFICAZIONE ELETTRO-DEBOLE
È STATA VERIFICATA
L’ESISTENZA DEL BOSONE HIGGS
uno sguardo al
MACROMONDO
ELEMENTI STORICI
<1916 Concezione statica dell’Universo (paradosso di Olbers)
1916 Teoria del Big Bang (Relatività Generale)
1980 Teoria inflazionaria (congettura dell’inflatone)
1996 Dominio dell’Energia Oscura
TEORIA DEL BIG BANG
• 1916, basata nella Teoria Generale della Relatività
prevede una espansione cosmica
• L’espansione cosmica è confermata da Hubble nel 1929
• 1949, Teoria della Nucleosintesi Primordiale
spiega la formazione degli elementi (D, He…) primordiali
prevede l’esistenza di una radiazione cosmica di fondo
• La radiazione cosmica di fondo è confermata nel 1964
Un ospite inatteso: la materia oscura
• Nelle galassie e negli ammassi di
galassie esiste un eccesso di
attrazione gravitazionale rispetto
all’attrazione prodotta dalla materia
luminosa, questo eccesso viene
associato alla presenza di una
materia oscura
• Per molti anni il ruolo della materia
oscura è rimasto sconosciuto
• Oggi si è capito che questo ruolo è
stato cruciale per la formazione
delle galassie, delle stelle, dei
pianeti e quindi della vita
Un ospite inatteso: la materia oscura
• Nelle galassie e negli ammassi di
galassie esiste un eccesso di
attrazione gravitazionale rispetto
all’attrazione prodotta dalla materia
luminosa, questo eccesso viene
associato alla presenza di una
materia oscura
• Per molti anni il ruolo della materia
oscura è rimasto sconosciuto
• Oggi si è capito che questo ruolo è
stato cruciale per la formazione
delle galassie, delle stelle, dei
pianeti e quindi della vita
Geometria
Omogenità della radiazione cosmica di fondo
TEORIA DEL BIG BANG
SUCCESS
SUCCESSI
• Espansione dell’Universo
• Nucleosintesi primordiale e abbondanza pregalattica di He
• Radiazione cosmica di fondo
•
•
•
•
•
DIFFICOLTÁ
DIFFICOLTÁ
Disomogeneità della materia e formazione delle galassie
Omogenità della radiazione cosmica di fondo
Geometria euclidea
Causa all’origine del Big Bang
Incompatibilità con la teoria unificata della fisica
TEORIA DEL BIG BANG
SUCCESSI
• Espansione dell’Universo
• Nucleosintesi primordiale e abbondanza pregalattica di He
• Radiazione cosmica di fondo
•
•
•
•
•
DIFFICOLTÁ
DIFFICOLTÁ
Disomogeneità della materia e formazione delle galassie
Omogenità della radiazione cosmica di fondo
Geometria euclidea
Causa all’origine del Big Bang
Incompatibilità con la teoria unificata della fisica
Queste difficoltà possono essere risolte in base ad un
ipotetico esplosivo INFLATONE che indusse la grande
esplosione
TEORIA INFLAZIONARIA DELL’UNIVERSO
SUCCESSI
• Espansione dell’Universo
• Nucleosintesi primordiale e abbondanza pregalattica di He
• Radiazione cosmica di fondo
•
•
•
•
•
SUCCESSI
Disomogeneità della materia e formazione delle galassie
Omogenità della radiazione cosmica di fondo
Geometria euclidea
Causa all’origine del Big Bang
Incompatibilità con la teoria unificata della fisica
L’esplosivo dovrebbe agire prima che la temperatura
scenda sotto
1014 GeV
(10-34 s)
DAL PUNTO DI VISTA MATEMATICO L’ESPLOSIVO
NELLA TEORIA GENERALE DELLA RELATIVITA’ E’
UN CAMPO CON PRESSIONE INTERNA NEGATIVA
SE NELLA MATERIA LA GRAVITAZIONE GENERA
UNA FORZA ATTRATTIVA
NELL’ESPLOSIVO LA GRAVITAZIONE GENERA UNA
FORZA REPULSIVA
EINSTEIN FU IL PRIMO A INTRODURLO COME
TERMINE COSMOLOGICO
ESISTE ATTUALMENTE QUALCHE RESIDUO
DI ESPLOSIVO PRIMORDIALE ?
ESISTE ATTUALMENTE QUALCHE RESIDUO
DI ESPLOSIVO PRIMORDIALE ?
LE OSSERVAZIONI ASTRONOMICHE DIMOSTRANO
CHE ATTUALMENTE L’UNIVERSO STA RICEVENDO
UNA SPINTA ESPANSIVA
ESISTE ATTUALMENTE QUALCHE RESIDUO
DI ESPLOSIVO PRIMORDIALE ?
LE OSSERVAZIONI ASTRONOMICHE DIMOSTRANO
CHE ATTUALMENTE L’UNIVERSO STA RICEVENDO
UNA SPINTA ESPANSIVA
UNA SPECIE DI ESPLOSIVO OGGI ESISTE !
ESISTE ATTUALMENTE QUALCHE RESIDUO
DI ESPLOSIVO PRIMORDIALE ?
LE OSSERVAZIONI ASTRONOMICHE DIMOSTRANO
CHE ATTUALMENTE L’UNIVERSO STA RICEVENDO
UNA SPINTA ESPANSIVA
UNA SPECIE DI ESPLOSIVO OGGI ESISTE !
ESPLOSIVO PRIMORDIALE
INFLATONE
ESPLOSIVO ATTUALE
ENERGIA OSCURA
NÉ LA MATERIA OSCURA
NÉ L’INFLATONE-ENERGIA OSCURA
SONO STATI FINORA IDENTIFICATI
LA LORO PRESENZA È STATA SCOPERTA
MEDIANTE L’AZIONE
AZIONE GRAVITAZIONALE DA ESSI
ESERCITATA
MA QUALE E’ LA LORO NATURA FISICA ?
NÉ LA MATERIA OSCURA
NÉ L’
L’INFLATONE
INFLATONE--ENERGIA OSCURA
SONO STATI FINORA IDENTIFICATI
LA LORO PRESENZA È STATA SCOPERTA
MEDIANTE L’AZIONE
AZIONE GRAVITAZIONALE DA ESSI
ESERCITATA
MA QUALE E’ LA LORO NATURA FISICA ?
IL CAMPO DELLE PARTICELLE ELEMENTARI
DOVRÀ DARE RISPOSTA A QUESTI MISTERI
L’INFLATONE
È CONGRUENTE
CON IL CAMPO DI HIGGS
Higgs
L’UNIFICAZIONE DELLE QUATTRO FORZE
GENERERÀ ALTRI CAMPI
SUSCETTIBILI DI ESSERE L’INFLATONE
fermioni
bosoni
bosoni
fermioni
Una estensione naturale del Modello Standard è la
Teoria SuperSimmetrica dove ad ogni fermione si fa
corrispondere un bosone e viceversa.
Mediante la Teoria SuperSimmetrica si spera di
spiegare la natura della materia oscura
Fisica standard
particella elementare come punto
descrizione accettabile al di sopra di ~10-33 cm
ma contraddittoria a dimensioni più piccole
Teoria delle stringhe
particella elementare come stringa di ~10-33 cm
descrizione quantistica della gravitazione…
…evitando disastri oltre i limiti di Planck
ALLA RICERCA DELLA TEORIA PRIMARIA
• Esiste una scala naturale per l’unificazione della
gravitazione con le altre forze: la scala di Planck
10-33 centimetri, 10-44 secondi, 1019 GeV
• Si spera che una teoria primaria arrivi alla scala di
Planck
• Una teoria primaria dovrebbe generare in modo
naturale i valori di varie costanti della fisica senza
riceverli dall’esperimento
• Diverse evidenze fanno pensare che l’unificazione con
la gravitazione può avvenire solo aumentando le
dimensioni dello spazio da 3 a un minimo di 10
• La teoria delle superstringhe rappresenta un tentativo
di teoria primaria
Conclusioni
La cosmologia e la fisica delle particelle
elementari si complementano a vicenda
nell’indagare sui misteri più intimi della natura
Questo sforzo porta con se l’integrazione dei
due campi in un corpo di conoscenze la cui
coesione ne aumenta la capacità predittiva
Per ora questa conoscenza si limita a indizi,
gli sviluppi futuri sono destinati a generare
una svolta epocale
Letture raccomandate
• Martin Rees
Prima dell’inizio: il nostro universo e gli altri Scienza e Idee, 1998
I sei numeri dell’Universo: le forze profonde che spiegano il cosmo
2002
Rizzoli,
• Brian Greene
L’Universo elegante: superstringhe
superstringhe,, dimensioni nascoste e la ricerca della
teoria ultima
Einaudi, 2000
La trama del cosmo: spazio, tempo, realtà
Einaudi, 2004
• Gordon Kane
Supersimmetria Squark
Squark,, fotini
fotini,, sparticelle
sparticelle:: svelare le leggi ultime della
natura
Bollati Borinnghieri
Borinnghieri,, 2005
• Alex Vilenkin
Un solo mondo o infiniti ? Alla ricerca di altri universi Scienza e Idee, 2006