dall`unificazione della fisica ala grande esplosione dell`Universo
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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
