Razzismo astrofisico: L'asimmetria materia-antimateria nell'universo.

Particelle ed antiparticelle
del modello standard.
 Immagine da qui

L'apparente universalità delle leggi della fisica  nasconde profonde e fondamentali discrepanze tra quello che ha luogo nell'universo e negli acceleratori di particelle.

Questi apparenti paradossi - al momento irrisolti - sono  oggetto di ricerca da svariati decenni sia dal punto di vista teorico che sperimentale, senza che però si sia riusciti a compiere  significativi progressi.  

1. Dov'è finita l'antimateria?

Perché il 4% di materia (protoni, elettroni, nuclei) che compone le stelle e le galassie è composto apparentemente solo di materia? Questa domanda giace dietro il problema della materia oscura, probabilmente costituita da una particella ancora inosservata, ma è plausibilmente distinto da esso. 

Le leggi della fisica delle particelle elementari mostrano infatti una simmetria tra materia ed antimateria. Se la collisione di una particella e la sua antiparticella produce energia, le leggi di conservazione prevedono che da essa si debbano create materia ed antimateria in parti uguali. Applicate su scala cosmica, queste leggi prevedebbero un universo costituito da uguali quantità di materia ed antimateria. L'universo appare costituito da sola materia:  infatti se vi fossero zone dominate da antimateria, il loro confine con la nostra regione dovrebbe brillare nei raggi gamma dell'annichilazione. 

Il Big Bang ha avuto una fase
di espansione rapidissima.
Immagine da qui

Pertanto le  le  leggi delle particelle elementari da noi conosciute devono aver iniziato ad esser valide solo dopo un certo tempo dal Big Bang.  Quali leggi più generali e ancora ignote erano valide prima? Come hanno prodotto questa macroscopica asimmetria tra materia ed antimateria? Nesssuno ne ha la più pallida idea. 

Lo scienziato e dissidente sovietico Andrei Sakharov, padre della bomba all’idrogeno sovietica, indicò nel 1967  tre eventi che si devono esser verificati in passato per portare alla asimmetria da noi attualmente osservata. Secondo le tre condizioni di Sakharov è necessario quindi: 

1) che l’universo non sia in equilibrio termico, cioè che si vada progressivamente raffreddando. 

        [verificata]: infatti l’universo nei suoi primi istanti di vita ha subito una fase -  detta di inflazione - in cui l’espansione è stata rapidissima, seguendo una legge esponenziale. Questa fase di inflazione potrebbe aver consentito ad una interazione ancora sconosciuta di creare un eccesso di materia rispetto all’antimateria, ingrandendo l’universo così velocemente da non dare tempo alle particelle appena nate di ricombinarsi secondo il processo inverso.           

Lo scienziato e dissidente sovietico
Andrei Sakharov

2) che non si conservi il numero barionico. De esser quindi possibile  creare in una singola reazione protoni senza creare anche un ugual numero di antiprotoni. 

      [non verificata] Non si conosce nessun fenomeno in natura che violi il numero barionico: conseguenza di questo è ad esempio la stabilità misurata del protone. 

3) che la produzione di materia sia privilegiata rispetto a quella di antimateria, ossia che si violi la legge simmetria di carica e parità (CP). 

   [appena accennata] La forza debole, responsabile del decadimento nucleare beta (che emette elettroni o positroni), può violare la simmetria di CP nel decadimento di alcune particelle. Questa violazione è però di gran lunga  troppo piccola per poter essere  in grado di soddisfare appieno la terza condizione.  

(1) continua in Separati in casa: Meccanica quantistica contro Relatività generale

Questo post partecipa al carnevale della fisica 39, dal tema "Paradossi nella fisica".

Il Bosone di Higgs e le pagine dell'album di figurine

Da sinistra: Fabiola Gianotti, responsabile
dell'esperimento ATLAS,  Rolf Dieter-Heuer,
direttore del CERN,  Guido Tonelli,
responsabile dell'esperimento CMS

Lo scorso 13 dicembre nel corso di due seminari al CERN di Ginevra, sono state annunciate prove dell'osservazione del "bosone di Higgs", la particella elementare che mancava all'appello del "modello standard", la teoria fisica che racchiude le nostre conoscenze sul mondo nucleare e subnucleare. 

Anche se il numero di osservazioni di questa particella è ancora troppo basso per garantire con certezza la sua esistenza (e vincere il premio Nobel) si può dire con ragionevole certezza che la figurina mancante per completare la pagina delle particelle elementari a noi note sia stata finalmente attaccata. Tuttavia siamo lungi dal completare l'album:  vari  blog (Amedeo Balbi, Tommaso Dorigo, vixra) hanno raccontato e spiegato in dettaglio questo evento e le sue implicazioni, per cui mi limito a riassumere alcuni fatti essenziali.

Chi è il signor Higgs? Peter Higgs è un fisico scozzese che negli anni '60 ha sviluppato la teoria secondo cui le particelle elementari potessero avere la massa che noi misuriamo. Secondo questa teoria è necessaria l'esistenza di una specifica particella (un bosone) cui  è stato dato il suo nome.

La prima pagina dell'album di figurine,
faticosamente riempita in circa un secolo di ricerche.
 I fermioni (quark, elettroni, neutrini)
 sono nelle prime tre colonne,
i bosoni (cui andrà forse aggiunto l'Higgs)
 nella quarta  (da qui).

E il bosone? Le particelle elementari possono essere divise in due grandi categorie a seconda delle loro proprietà statistiche e microscopiche: bosoni e fermioni. I bosoni derivano il loro nome dal fisico indiano Satyendra Nath Bose ed i fermioni dal 'nostro' Enrico Fermi. A grandi linee, le forze fondamentali (elettromagnetica, nucleare forte, debole, gravitazionale) sono esercitate tramite bosoni, mentre la materia (atomi, nuclei) è composta di fermioni. Un bosone per tutti: la luce (o meglio il fotone). Un fermione per tutti: l'elettrone. 

Perchè è importante questo bosone di Higgs? Perchè se non si trova, o se lo si trova con caratteristiche (ad esempio la massa) diverse da quello che prevede la teoria, allora la teoria è sbagliata e va modificata. Il modello standard non crollerebbe come un castello di carte, ma avrebbe bisogno di una bella ristrutturazione. Per fortuna (o per sfortuna?) la massa del bosone di Higgs misurata da ATLAS e CMS sembrerebbe una di quelle più attese dal modello standard. 

Ma perché è chiamata la particella di Dio? Il nome non ha alcun senso. Compare nel libro di Leon Lederman, ma è frutto di una censura dell'editore, dato che l'autore l'aveva originariamente chiamato "la particella dannata" (the goddamn particle), perché terribilmente difficile a trovarsi (il che, detto da un premio Nobel per i neutrini - che possono attraversare la terra senza batter ciglio - la dice lunga). 

Dove è stato trovato? Ai laboratori internazionali del CERN di Ginevra, cui l'Italia partecipa con vari istituti (tra cui l'INFN) ed Università. 

Perchè si trova solo lì? Al CERN è presente il più potente acceleratore di particelle del mondo, LHC (large hadron collider),  ed è attualmente l'unico strumento in grado di  produrre l'elusivo bosone di Higgs (al Tevatron del Fermilab ci hanno provato per anni, ma la macchina non era abbastanza potente). 

Un probabile evento di Higgs che decade in due 

particelle Z che a loro volta producono 2 muoni  ciascuno. 

Dal sito web del CERN, che non vuole correre rischi,

 la didascalia  del CERN infatti aggiunge: 

Such events are produced by Standard Model processes

without Higgs particles.  They are also (ma anche)

 a possible signature for Higgs particle production. 

(rosso e 'ma anche' sono miei)

Come è stato trovato? Questa particella era presente in abbondanza nei primi istanti di vita dell'universo, poi è decaduta completamente. Per osservarla è necessario un acceleratore di particelle con una energia ed una intensità tale da produrre questa particella. Nel tunnel sotterraneo vengono fatti circolare fasci di particelle ed antiparticelle sino a farli scontrare. Nell'urto si produce ogni sorta di fermioni e bosoni. I rivelatori di particelle (in questo caso ATLAS ed CMS) sono in grado di fotografare la forma dell'interazione e delle tracce ed identificare così l'Higgs tra la marea (marasma?) di altre particelle elementari. 

Ma è stato trovato per davvero? Che è questa storia delle sigma? Molto probabilmente sì. Due rivelatori distinti, ATLAS e CMS, hanno rivelato tracce diverse riconducibili - in maniera indipendente - ad un bosone di Higgs con massa pari a 126 GeV. Non possono dare l'annuncio della scoperta perchè il numero di tracce osservate è troppo esiguo e c'è sempre la probabilità di un errore. Il numero di sigma  quantifica la probabilità di uno sbaglio: poche sigma (male) implica un'alta probabilità di errore, tante sigma implica la  ragionevole certezza della scoperta. Per alcune spiegazioni sulla sigma e la significatività del risultato, vedete qui, anche se per un commento caustico ed aggiornato sugli usi errati della statistica da parte dei giornalisti vi  rimando ad un recente preprint di D'Agostini (saltate l'abstract che è più ostico e leggete l'articolo che è molto meno tecnico).

Ma allora non potevano aspettare? No, perché l'evidenza è tale da meritare un annuncio. In questa maniera tutti coloro  che lavorano sull'argomento possono beneficiare dei nuovi risultati. Inoltre  i vari  esperimenti sono tra loro concorrenti e  c'è sempre il rischio che la scoperta del secolo venga soffiata a colpi di articoli (è già successo tante volte). Inoltre il numero di sigma di ciascuno dei due esperimenti è superiore a quello dei test clinici di molte medicine. 

La divisione della massa nell'universo. Stelle e gas
costituiscono il solo 4%. Materia ed energia oscura
 ammontano a  più del 90%  ma non ne sappiamo quasi
nulla.

Quindi abbiamo finito? No: innanzitutto per dichiarare la scoperta sarà necessario osservare molte più particelle, e studiarne la natura, il decadimento ed i processi. Inoltre le osservazioni astronomiche, dalla nostra galassia agli ammassi più lontani, ci mostrano che tutte le stelle, i pianeti, il gas interstellare sono costituiti da  particelle del modello standard ma ammontano a solo circa 4% della massa dell'universo: di questo almeno il 23% è costituito da "materia oscura" (la natura del restante 73% è ancora più misteriosa). Anche questo termine è fuorviante, in quanto "trasparente" sarebbe più esatto, visto che non c'è modo di vederla con la luce delle stelle. Si tratta di una particella sconosciuta, che non appartiene alla pagina dell'album appena completata, ma probabilmente ad una pagina nuova di zecca, tutta ancora da scoprire. Alcune teorie - dette supersimmetriche - prevedono che LHC sarà in grado di osservare in futuro anche questa particella. 

2000 giorni di PAMELA in orbita

Il 5 dicembre lo spettrometro magnetico PAMELA ha compiuto 2000 giorni di volo nello spazio.

Lo strumento, lanciato a bordo del satellite russo Resurs-DK1 il 15 giugno 2006 aveva già festeggiato 5 anni qualche tempo fa. 

PAMELA studia i raggi cosmici carichi, protoni, elettroni, nuclei di elio; lo spettrometro magnetico permette di estrarre la rarissima componente di antimateria, antiprotoni e positroni, importante sia per la ricerca indiretta di materia oscura che per comprendere perché il nostro universo sia composto di sola materia. 

Purtroppo qualunque  campo magnetico devia le particelle cariche e quindi quello che abbiamo sono "solo" i flussi di particelle, ossia quante particelle ci sono ad una certa energia. 

Gli obiettivi scientifici di PAMELA nel plot di Hillas. 

A bassa energia (10⁹  eV) vi sono quelle intrappolate 

nelle fasce di Van Allen della magnetosfera terrestre, poi quelle emesse 

nelle eruzioni solari e  modulati nel nostro sistema solare  (10¹⁰  eV). 

Positroni ed elettroni vengono dal "vicinato" galattico,

 1-2 kpc, mentre protoni ed antiprotoni scorrazzano 

liberamente per tutta la galassia sino a  circa 10¹⁸  eV. 

Anche se non è possibile produrre le splendide immagini di satelliti come AGILE, Fermi o Hubble, studiando i flussi delle varie particelle è possibile ottenere informazioni molto dettagliate su come i raggi cosmici sono stati prodotti e si sono propagati nella galassia, nel nostro sistema solare ed in prossimità della Terra. 

I fenomeni che governano la magnetoidrodinamica -  disciplina che studia l''interazione tra particelle e campi magnetici - sono molto simili indipendentemente dalle scale in gioco: studiando la produzione di particelle emesse nelle eruzioni solari è possibile comprendere i meccanismi che hanno luogo nelle pulsar e nei nuclei galattici attivi, galassie dominate da immensi buchi neri.

Antimateria intorno alla Terra, PAMELA e viaggi interstellari

Dati recenti di PAMELA, pubblicati su Astrophysical Journal Letters (reperibile anche qui)  mostrano come nella magnetosfera terrestre sia presente una fascia stabile di antiprotoni, ossia antimateria a poche centinaia di chilometri attorno alla terra.
Queste particelle vengono formate dall'urto dei raggi cosmici galattici di più alta energia con gli strati alti dell'atmosfera: tra la miriade di particelle prodotte in queste collisioni vi sono anche antineutroni che possono decadere a loro volta in antiprotoni, che rimangono intrappolati nel campo geomagnetico.
Questa fascia di antiprotoni è molto più piccola di quelle di   protoni ed elettroni, dette di Van Allen dal nome del suo scopritore (un video delle fasce di Van Allen viste con pamela è presente qui).
Questo è il flusso di antiprotoni intrappolati  che abbiamo misurato con PAMELA. E' la prima volta che viene effettuata questa misura perché è necessario uno spettrometro magnetico per discriminare i protoni dalle loro antiparticelle in virtù della loro carica opposta. Oltre agli antiprotoni intrappolati (in rosso in figura) sono state rivelati anche antiparticelle prodotte in prossimità della terra ma che si perdono nel sistema solare (in blu). Per confronto, in nero è mostrato il flusso di antiprotoni provenienti dalla galassia.

I 28 antiprotoni rivelati intorno alla Terra da PAMELA sono rappresentativi di circa qualche miliardo di antiparticelle presenti in orbita attorno alla Terra. Troppo poche per rappresentare una forma di energia stabile o per alimentare futuristici motori a materia/antimateria. Tuttavia a questo link è presente un interessante documento che stima la quantità di antimateria presente nelle magnetosfere del sistema solare.
Le enormi magnetosfere di Giove e Saturno dovrebbero contenere centinaia di volte più antiprotoni di quella terrestre e dunque poter un giorno (molto remoto) essere utilizzati come minima sorgente di energia per viaggi interstellari. Il vantaggio di questa fonte è che - seppur piccola - si rigenera continuamente per l'urto delle particelle galattiche con le atmosfere planetarie.

Stime di antiprotoni presenti nel sistema solare (tratto da qui)