INFLAZIONE DELL'UNVERSO
E
BOSONE DI HIGGS
Claudio Firmani
UNAM--INAF
UNAM
ELEMENTI STORICI
<1916 Concezione statica dell’Universo (paradosso di Olbers)
1916 Teoria del Big Bang (Relatività Generale)
espansione inerziale (Hubble)
geometria indeterminata (euclidea e non)
nucleosintesi primordiale (abbondanze e MBR)
1980 Teoria inflazionaria (congettura dell’inflatone)
esplosivo per la propulsione iniziale
geometria euclidea
isotropia e omogeneità globali
dominio della materia oscura
formazione delle strutture (galassie, ammassi)
età troppo breve (<10 Gyr)
1996 Dominio dell’Energia Oscura
esplosivo per la propulsione attuale (8-13.5 Gyr)
età corretta
Planck
Planck
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 primordiale degli elementi (D, He…)
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’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 ?
LA FISICA DELLE PARTICELLE ELEMENTARI
DOVRÀ DARE RISPOSTA A QUESTI MISTERI
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
VERSO L’UNIFICAZIONE DELLE FORZE
L’unificazione si darebbe ad alte energie con
particelle di scambio di massa nulla che si
differenzino tra loro eventualmente acquistando
massa una volta che cessi l’unificazione a
energie più basse
Come generare una teoria capace di predire
l'azione delle forze oltre i limiti sperimentali?
Bisogna partire dagli aspetti più fondamentali di
una teoria già provata
La teoria elettromagnetica (EM) è una teoria di
gauge che fornisce una impalcatura classica e
quantistica idonea a questo scopo
Funzione Lagrangiana della teoria EM
L(Ψ,A)
stato cariche
funzione onda
campo EM
fotoni
Aspetti fondamentali
invariante rispetto al laboratorio
simmetria spazio-tempo
invariante di gauge
simmetria di gauge
Ad ogni simmetria continua corrisponde una
legge di conservazione
Si può applicare una teoria di gauge come
quella EM al campo di forza debole ?
La difficoltà starebbe nel fatto che le particelle
di scambio sarebbero di massa nulla
Higgs e BroutBrout-Englert hanno introdotto nella
teoria delle modifiche basate su un ipotetico
campo ϕ che permette a questa di descrivere
il campo di forza debole con particelle di
scambio che acquistano massa
L(
L(Ψ,A,
Ψ,A,ϕ
ϕ)
La teoria continua a rispettare la simmetria di
gauge, mentre ϕ fornisce massa alle particelle
mediante una rottura spontanea di simmetria
Rottura spontanea della simmetria per
transizione allo stato base
alta temperatura
bassa temperatura
da uno stato di minima energia che rispetta la
simmetria si transita ad uno stato di minima
energia che rompe con la simmetria
simmetria..
La simmetria della teoria permane mentre si
rompe la simmetria dello stato di minima energia
LARGE HADRON COLLIDER
LHC È UNO STRUMENTO STRATEGICO PER
VERIFICARE LA FISICA IN CONDIZIONI ESTREME
DEL MODELLO STANDARD
RIGUARDO
ALL’UNIFICAZIONE ELETTRO-DEBOLE
È STATA VERIFICATA
L’ESISTENZA DEL BOSONE HIGGS
IL CAMPO DI HIGGS È CONGRUENTE CON
L’INFLATONE
L’UNIFICAZIONE DELLE QUATTRO FORZE
GENERERÀ ALTRI CAMPI
SUSCETTIBILI DI ESSERE L’INFLATONE
Higgs
ALCUNE QUESTIONI FONDAMENTALI
• La fisica tende ad una formulazione primaria e
unificata delle quattro interazioni: gravitazionale,
elettromagnetica, forte e debole
• Il Big-Bang può essere stato indotto da un esplosivo
inflatone che ha impresso nei primi 10-36 secondi di
vita le condizioni che determineranno l’intera storia
dell’Universo
• La composizione dell’Universo attuale è:
68.3 % energia oscura (sconosciuta)
26.8 % materia oscura (sconosciuta)
4.9 % materia ordinaria
senza una presenza apprezzabile di antimateria
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.
La congettura delle particelle supersimmetriche è
puramente teorica
alcune di queste nuove particelle potrebbero giocare
un ruolo fondamentale come materia oscura
È necessario verificare le predizioni teoriche di SUSY
con nuovi esperimenti
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
forze:: la scala di Planck
10-33 centimetri, 10-44 secondi, 1016 TeV
• 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
• Il ruolo avuto dalla fase primordiale dell’Universo sulla storia
seguente rivela l’enorme importanza della ricerca di una teoria
primaria
CONSIDERAZIONI FINALI
• La scoperta del bosone di Higgs introduce per la
prima volta in fisica un campo mediante il quale si
apre il cammino per la comprensione dell’inflatone
dell’inflatone
• L’energia oscura e la materia oscura seguono
ancora avvolte nel mistero
mistero.. Gli sviluppi della
Grande Unificazione e della Super Simmetria
offriranno elementi per sciogliere questo mistero
• La natura quantistica del vuoto dovrà essere
congruente con la cosmologia
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
