Perché l’universo NON è una simulazione al computer

L’universo può essere una immensa simulazione a stati discreti come un gigantesco  automa cellulare? (no)

In questi giorni i giornali hanno rilanciato la (vecchia) discussione sulla possibilità che l’universo sia una simulazione in qualche tipo di supercomputer. Una citazione di Matrix, un pizzico di cospirazione, qualche numero sparso a caso e il gioco è fatto.
L’ipotesi che l’universo come noi lo percepiamo sia solo un’ombra di quello reale risale ai filosofi greci (e probabilmente anche prima). L’esempio classico è quello della Caverna di Platone. Noi saremmo come i prigionieri della caverna che possono cogliere solo le ombre del mondo reale esterno alla caverna. Di conseguenza la nostra comprensione del mondo risulterebbe incompleta.

Del resto la nostra interazione con il resto dell’universo avviene tramite i cinque sensi, con cervelli evolutisi per fare tutt’altro (cibo, riproduzione, pensare alla riproduzione, discussioni sulla riproduzione…). Sarebbe quindi logico aspettarsi che non siamo in grado di percepire altro che ombre e proiezioni di un mondo ben più complesso. Tuttavia, negli ultimi cinque secoli, grazie a strumenti come il microscopio e il telescopio (e tutte le successive migliorie) abbiamo potuto estendere enormemente le nostre capacità esplorative nel reame macroscopico e microscopico. Questo ci ha permesso di correggere la nostra descrizione dell’universo, passando dalle sfere dei cieli di cristallo al Big Bang e un universo di circa 45.5 miliardi di anni luce di raggio; da concetti come etere, flogisto e quintessenza alla comprensione delle forze fondamentali della natura che si manifestano su dimensioni inferiori del nucleo atomico.

Pertanto, per quanto limitata ed errata possa essere la comprensione attuale del nostro universo, essa è ormai troppo sofisticata perché sia credibile l’ipotesi di una simulazione basata su micro-elementi  come in un automa cellulare (tipo il gioco di life: qui uno splendido simulatore).

Infatti le misure astronomiche mostrano che l’universo ha un diametro di circa 91 miliardi di anni luce e che le interazioni fondamentali hanno luogo su una scale pari a frazioni infinitesime della grandezza del protone. Calcoli teorici mostrano come la grandezza naturale sia pari a 1.6*10-35 m (la scala di Planck). Dal punto di vista sperimentale, l’osservazione di raggi cosmici di ultra-alta energia provano l’esistenza di particelle con energie superiori a 1020eV (almeno 1000 di volte più grandi a quelle ricreate negli acceleratori di particelle). Per riprodurre questi eventi, la simulazione in cui ci troveremmo dovrebbe estendersi in una sfera di 45.5 miliardi di anni luce di raggio con una risoluzione pari ad almeno 10-27 m.

Al momento i computer attuali riescono a simulare lo spazio tempo su un reticolo quadridimensionale delle dimensioni massime di 10-15m e con una risoluzione di qualche percentuale di questo valore. Anche assumendo che il potere computazionale dei computer possa crescere  secondo la legge di Moore, tra più di un secolo dovremmo essere in grado di simulare al massimo un universo di circa un metro di grandezza. Va detto che queste simulazioni consentiranno progressi incommensurabili nella comprensione della fisica fondamentale, ma ancora lontanissimi da quanto ipotizzato dai filosofi di facebook.
Si può sempre argomentare che i 'computer' che simulano il nostro universo siano infinitamente più potenti e funzionino 'chissaccome', ma in questo caso si tratta di una riformulazione della Creazione, senza possibilità di verificare questa ipotesi o interagirci.
Inoltre, nel pot-pourri delle sciocchezze che si leggono in giro si fa una confusione tra vari tipi di ‘universi’.

L’universo alla Matrix.

In questo caso l’universo NON è una simulazione ma una illusione generata in una persona (come in un episodio de Il  Prigioniero,1969) o più individui (Dark City, 1998 e poi Matrix, 1999). È quindi una specie di ‘realtà virtuale’ molto sofisticata che genera nel nostro cervello (indirettamente, tramite stimoli visivi, tattili, olfattivi ecc…)  o direttamente (tramite stimolazione neuronale) le percezioni che noi interpretiamo come realtà.  Creare questo tipo di miraggio sarebbe infinitamente più semplice che una vera simulazione, ma richiederebbe comunque risorse computazionali enormi, dato che comunque dovrebbero simulare l’illusione delle interazioni ad alta energia.

L’universo alla Truman show.

Ispirato al racconto ‘’L’uomo dei giochi a premio” di Philip Dick (1959), il film ci mostra un mondo simulato molto più piccolo di quello reale. In questo caso il volume da simulare si estenderebbe alla sola terra (o al sistema  terra-luna, dato che le missioni Apollo ci hanno fatto raggiungere anche il nostro satellite). Anche se la simulazione del resto del mondo  macroscopico sarebbe idealmente possibile (per quanto,  galassie, redshift, buchi neri, stelle di neutroni ecc, sarebbero estremamente difficili da mettere ‘a mano’); ma resta il problema del mondo microscopico. La sola terra ha circa 6*1050 protoni e noi  – come già accennato – non siamo in grado di neanche immaginare come simularne anche uno solo.

Il macro universo simulato.

Vari articoli scientifici  hanno affrontato questo problema cercando di capire se alcuni attuali problemi aperti della fisica moderna potessero essere interpretati in chiave di evidenza e limiti di una eventuale simulazione. Ad esempio l’attuale devastante incongruenza tra meccanica quantistica e relatività generale  sarebbe risolta naturalmente non con le stringhe o la gravità quantistica, ma semplicemente con una impostazione ad hoc in questa fantomatica messinscena. Se proprio di simulazione si deve trattare, afferma l’articolo, questa potrebbe essere visibile nella distribuzione dei raggi cosmici di ultra-alta energia.  Invece di provenire da tutte le direzioni, infatti, questi dovrebbero mostrare direzioni preferenziali correlate ai vertici e alla struttura del reticolo su cui avviene la simulazione.

(già apparso su scientificast)

Big Bang e Papa Francesco

Il Big-Bang, che oggi si pone all’origine del mondo, non contraddice l’intervento creatore divino ma lo esige. L’evoluzione nella natura non contrasta con la nozione di Creazione, perché l’evoluzione presuppone la creazione degli esseri che si evolvono.

Dal discorso di Papa Francesco presso la Pontificia Accademia delle scienze (qui il testo completo)

Vista la quantità di sciocchezze scritte a sia favore che contro questo intervento vale la pena di ricordare alcuni fatti. 

• Il Papa non parla mai  di Creazionismo (--> no dinosauri, 4000 anni di età di universo, no evoluzione degli animali) come titolano molti articoli online (ad esempio repubblica  e persino wired, che così rovina l'ottimo articolo di Amedeo Balbi).

• Il concetto di Big Bang fa parte del magistero della Chiesa dagli anni '50: un primo discorso di Pio XII del 1951 cita come prova dell'età dell'universo: 1) Il distanziamento delle nebulose spirali o galassie. 2) L’età della crosta solida della terra, 3) L’età dei meteoriti. 4) La stabilità dei sistemi di stelle doppie e degli ammassi di stelle. In questo testo il Big Bang veniva portato quasi a prova della Creazione divina, cosa che sia Lemaître (il primo a formulare questa ipotesi) che molti teologi ritenevano una forzatura. Infatti nel discorso di Pio XII del 1952 la cosa fu  fortemente sfumata. Il Big Bang è ormai un fatto talmente assodato (e dato per scontato nel breve discorso del papa) che nessuno si sognerebbe di mettere in discussione, a parte appunto i  creazionisti.

• L'idea di una singolarità iniziale all'inizio di tutto si deve ad  un giovane cosmologo e prete gesuita, Lemaître. A partire dagli anni '20 mostrò che solo  un universo in espansione a partire da un punto o singolarità iniziale soddisfaceva le equazioni di Einstein (qui una breve spiegazione). Quest’ultimo – di origini ebraiche ma dichiaratamente ateo – aborriva quello che ai suoi occhi appariva come un tentativo di ritrovare la Creazione biblica nella cosmologia. Di uguale opinione erano altri valenti cosmologi tra cui Bondi ed Hoyle, che – in opposizione alla teoria dell’atomo primitivo di Lemaître proposero quella dell’universo stazionario, battezzando ironicamente 'Big Bang' la teoria di Lemaître. 

• Nessuno al momento sa cosa sia avvenuto nel momento della singolarità iniziale. Anzi, non si sa neanche cosa sia avvenuto nei primi10^-44 secondi (il cosiddetto tempo di Planck), o perché il nostro universo sia dominato dalla materia a discapito dell'antimateria e meno che mai come fare a mettere insieme relatività generale e meccanica quantistica. Tutte queste domande sono probabilmente correlate tra loro, ma in maniera ignota.

• Scienziati di tutto il mondo, siano essi non credenti, o di qualunque credo e religione,  indagano su questi problemi alla stessa maniera: con la matematica dal punto di vista teorico e costruendo apparati sperimentali per raccogliere dati e verificare le ipotesi. 

• Il resto è solo rumore di fondo che oltrettutto alimenta un generale sentimento antiscientifico  che sta facendo molti danni anche in Europa (ed ha distrutto il già traballante sistema scolastico USA). Forzare uno scontro tra scienza e fede sul terreno della fisica fondamentale e della cosmologia (quando il dibattito è già abbastanza acceso su temi di bioetica) è un anacronismo che ci riporta - neanche a volerlo fare apposta -   ai tempi di Galileo.

Fumetti cosmici tra Big Bang, Teologia e creazionismo

Nel  ventesimo secolo  due rivoluzioni scientifiche  hanno cambiato per sempre non solo la nostra conoscenza della natura, ma anche il modo con cui possiamo interagire con esso tramite macchine e strumenti: se da un lato la teoria della Relatività  Einstein ha spalancato la porta verso una  comprensione più profonda dell'universo giungendo fin quasi ai suoi primi istanti di vita, dall'altro la Meccanica quantistica ha  consentito di comprendere ed intervenire nel mondo microscopico nonostante le sue apparentemente bizzarre regole.

Einstein ed Hubble nel fumetto Cosmicomic, di Balbi e Piccioni (qui un'anteprima)

Cosmicomic, un fumetto scritto da   Amedeo Balbi  e disegnato da Rossano Piccioni ripercorre le tappe essenziali del difficile e tortuoso processo investigativo che ci ha  consentito di comprendere la natura del cosmo e delle sue origini.  Al di là di una esposizione chiara e scorrevole, unita ad un  tratto pulito ed essenzale, uno dei pregi del fumetto è che coglie l'aspetto umano di Einstein, Hubble e gli altri protagonisti, rimarcando come anche la scienza sia  un processo umanistico e i personaggi siano  degli investigatori dell'ignoto, ciascuno con un proprio intuito, opinioni e sensazioni piuttosto che  freddi automi come si è spesso portati a pensare.

La scoperta del Big Bang è  un esempio da manuale dell'importanza del ruolo rivestito  nella ricerca scientifica dal giudizio  personale e dai valori filosofici e/o religiosi degli scienziati. Non stiamo ovviamente parlando  del relativismo 2.0 di facebook o dei recenti folli casi di pseudomedicina, ma del fatto che le indagini scientifiche siano spesso coadiuvate  da intuito e sensazioni non suffragate immediatamente dai dati.

(continua a leggere su scientificast)

I dati di Planck, il fondo cosmico a microonde ed il Big Bang

A quasi quattro anni dal lancio sono stati resi pubblici i primi dati sul fondo cosmico a microonde della sonda Planck. La precisione delle misure consente di determinare con estrema precisione la quantità di materia ordinaria, oscura, e di energia oscura nel nostro universo.  I primi risultati sono stati raccolti in una trentina di articoli che analizzano in dettaglio i vari risultati della missione. Alcuni dati mostrano piccole ma significative discrepante con i valori attesi, e potrebbero aprire la strada verso teorie più precise sulla nascita ed evoluzione del nostro universo.   

Che cos'è e dove si trova Planck? 

Planck è una sonda costruita dall'Agenzia spaziale Europea,  lanciata nel 2010 e  posta in orbita attorno al secondo punto di Lagrange, sul lato opposto della luna rispetto alla terra.  In questa maniera il calore del nostro pianeta non interferisce con le  le misure.

Che cosa misura?

E' un precisissimo termometro che misura la temperatura dell'universo. Questa è in media pari a 2.75gradi  Kelvin, ossia appena  tre gradi sopra lo zero assoluto.

Ogni oggetto emette radiazione elettromagnetica a seconda della sua temperatura; 
 intensità e  frequenza della radiazione emessa sono descritte dalla legge di Planck.

Sia la legge che il satellite sono intitolate al fisico tedesco che la propose 
per la prima volta nel 1900. 

La  formula poté essere derivata solo abbandonando la vecchia concezione 
della meccanica classica 

ed introducendo concetti propri della meccanica quantistica: 
storicamente fu uno dei colpi più duri al  meccanicismo dell'ottocento.

Spettro della radiazione elettromagnetica emesso dal sole (6000 gradi Kelvin) e da altri corpi a temperatura più bassa.
Il picco di emissioni è radiazione visibile ad occhio nudo (in realtà l'occhio umano si è evoluto per essere sensibile alle frequenze di maggiore intensità del Sole).

Le braci incandescenti del camino emettono luce tanto più bianca quanto più alta  è la temperatura.

Abbassando la temperatura le emissioni sono per lo più verso il rosso  (il colore dei carboni ardenti).

Anche il sole emette radiazione secondo questa legge, ad una temperatura di 6000 gradi Kelvin (la temperatura della sua superficie).

In tutti i casi viene prodotta anche radiazione infrarossa, che è quella che ci scalda. Anche gli esseri viventi emettono  radiazione, ma avendo  una temperatura di 37 gradi Celsius,  solo nell'infrarosso (ed è per questo che di notte siamo visibili solo con appositi sensori infrarossi).

Che cos'è la radiazione cosmica di fondo?

Come già accennato, lo spazio intergalattico si trova a 2.75 gradi Kelvin e quindi emette radiazione nelle microonde. Lo spettro - detto anche spettro di corpo nero - è una delle verifiche più accurate della legge di Planck e dell'esistenza del Big Bang.   Questa radiazione è stata emessa 13.78 miliardi di anni fa, quando l'universo aveva solo 379,000 anni e si era raffreddato abbastanza da permettere agli elettroni di essere catturati dai protoni, formando per la prima volta gli atomi di idrogeno. La temperatura e le frequenze emesse a quel tempo erano molto più elevate, ma l'espansione dell'universo le ha fatte scendere sino al valore attuale. 

Spettro della radiazione cosmica di fondo misurato dal pioneristico satellite COBE alla fine degli anni '80.

Ma allora che misura Planck?

Gli strumenti  misurano la temperatura e lo spettro della radiazione emessa in tutte le direzioni della volta celeste. La mappa mostra le fluttuazioni (minime, circa una parte su 10000) dal valore aspettato, in rosso sotto la media e in blu sopra la media. 

Analizzando l'ampiezza e le dimensioni delle oscillazioni è possibile risalire allo stato dell'universo nei suoi primi istanti di vita: se e  quanto fosse uniforme, come si sia scatenata l'espansione, quanta materia ordinaria ed oscura è presente in esso e così via.

Mappa di Planck delle fluttuazioni della radiazione cosmica di fondo (da qui).
I puntini rossi rappresentano le direzioni del cielo dove lo spazio appare
leggermente più caldo, in blu dove è più freddo. La mappa è in coordinate galattiche
per cui la galassia (il cui contributo è stato rimosso) giace  su una riga orizzontale al centro dell'immagine.

I dati  di Planck confermano e raffinano le misure precedenti, mostrando come l'universo si sia espanso improvvisamente per poi proseguire la sua crescita in maniera più graduale, mostrando la presenza di fluttuazioni su grande scala maggiore di quanto previsto dai modelli originali. Lo studio delle implicazioni di queste misure devono ancora venire, ma è auspicabile che - assieme agli studi su LHC - possano aiutare a risolvere alcuni dei più grandi misteri della fisica moderna: natura della materia oscura, significato dell'energia oscura, asimmetria materia-antimateria. Già fare un passo nella soluzione di uno di questi enigmi potrebbe aprire la strada a nuove teorie sulla natura del mondo. 

La distribuzione di materia ed energia nell'universo prima e dopo le misure attuali (da qui)

Le scale mobili giapponesi, le autostrade cinesi ed il bosone di Higgs: rottura di simmetria e difetti topologici

Scale mobili a Tokyo: per
convenzione si sta fermi a
sinistra e si cammina a
destra. Ad Osaka è
l'opposto. Da qui.

La regola è chiara: a Tokyo e nel Kanto, sulle scale mobili, si sta fermi sulla sinistra e si cammina sulla destra. Non è chiaro come e quando si sia giunti a questo tacito accordo, ma -  come nel caso del traffico automobilistico – anche l’opposto è perfettamente accettabile. Infatti nel Kansai la convenzione è opposta: nelle città di Kyoto, Osaka e Kobe si sta fermi sulla destra e si lascia lo spazio per camminare sulla sinistra.

La regola della scala mobile è un esempio di “rottura spontanea della simmetria” che incontriamo ovunque nel nostro mondo. Il nostro corpo ci fornisce un altro esempio: il cuore si trova a sinistra ed il fegato  a destra, anche se in alcuni individui la disposizione degli organi è speculare . In questi casi vi sono solo due possibilità: destra o sinistra (e si parla più propriamente di parità), ma si possono immaginare esempi più complessi: immaginate di prendere uno spillo e tenerlo  in verticale con un dito  facendogli toccare il tavolo con l'altra estremità. Lasciato il dito lo spillo cadrà in una direzione a caso: Si è passati da una configurazione simmetrica (lo spillo in verticale) ad una asimmetrica (lo spillo caduto da un lato). 

In un materiale ferroso si passa
da uno stato  disordinato ma
 simmetrico ad  uno ordinato
 in cui la simmetria  è rotta dalla
 direzione della calamita che si
è venuta a formare. 

Lo stesso accade in un materiale ferroso: anche se inizialmente smagnetizzato, dopo un certo tempo si magnetizzerà spontaneamente diventando quindi una calamita. Microscopicamente, le mini-calamite costituite dai dipoli atomici si sono allineate tra loro passando da uno stato disorganizzato e casuale ad uno ordinato (ad energia più bassa e dunque più stabile) in cui tutti i dipoli puntano nella stessa direzione.

Si ritiene che un fenomeno analogo sia avvenuto nei primi istanti di vita dell’universo: si è passati da uno stato perfettamente simmetrico in tutte le particelle non hanno massa ad uno asimmetrico (ma ad energia più bassa), in cui le particelle elementari che compongono il nostro universo hanno masse tutte diverse tra loro. Nel caso dello spillo, il responsabile della rottura di simmetria è il nostro dito, nel caso delle particelle elementari, il “colpevole” di questa rottura di simmetria dovrebbe essere  il bosone di Higgs (il condizionale è d'obbligo dato che non è stato ancora trovato con certezza).

Schema dei domini di Weiss
in un materiale ferromagnetico
da qui

Torniamo al nostro pezzo di ferro: spesso la magnetizzazione non è uniforme. Può accadere che parti del metallo si magnetizzino in direzioni diverse. Queste microscopiche regioni in cui la magnetizzazione è uniforme prendono il nome di domini di Weiss, dal nome del suo scopritore. Particolarmente interessante è quanto avviene al confine tra questi lillipuziani paesi: la transizione tra un dominio e l’altro crea delle discontinuità, delle “zone di nessuno” (o domain wall) che esibiscono particolarità geometriche e matematiche molto particolari. 

La strada da Hong Kong alla Cina
collega regioni in cui si guida in
verso opposto: è quindi un esempio
macroscopico di difetto
topologico.

Nell'autostrada che collega Hong Kong alla Cina è possibile vedere una di queste transizioni, creata apposta per facilitare il passaggio dal primo paese, con la guida a sinistra al secondo, in cui si guida a destra. 

In Giappone non c'è nulla di simile nel caso delle scale mobili, anche se ci si potrebbe immaginare una fantastica città di Escheriana memoria, sita tra il Kansai ed il Kanto, in cui si passa da una convenzione all'altra.  

E per il nostro universo? La questione è ancora aperta: la teoria del Big Bang prevede un’espansione talmente rapida del nostro universo che la rottura di simmetria regolata dal bosone di Higgs potrebbe essere avvenuta in maniera diversa in punti diversi del nostro universo. Lì le  leggi della fisica potrebbero essere diverse dalle nostre.   Messaggeri di questi remoti angoli dell'universo potrebbero essere i difetti topologici, strutture geometriche simili ma infinitamente più complesse dell'autostrada cinese che potrebbero giungere anche sul nostro pianeta. Al momento sono relegati nel mondo della fisica teorica e della fantascienza, ma esperimenti in corso di progettazione hanno in programma la ricerca di queste splendide rarità. 

Materia, Antimateria e Materia Oscura nello spazio con PAMELA (1)

Adattato da M.C., P. Picozza, Pamela: la ricerca di antimateria nello spazio, Le Stelle, n.73 maggio 2009. 


La massa mancante dell'universo. 

Di cosa è composto realmente l’universo? Solo il 4% dell'universo è costituito da particelle a noi note, protoni, elettroni e nuclei che costituiscono i pianeti, le stelle e le galassie. Un altro 23% è costituito da materia “oscura”, distribuita in modo non uniforme nella nostra galassia e lo spazio intergalattico: si tratta di una o più particelle a noi ignote, invisibili e al momento imperscrutabili ai nostri tentativi di identificazione. Il problema della massa mancante nell'universo fu notato per la prima volta nel 1933 dall'astronomo svizzero Fritz Zwicky.  Osservando l'ammasso di galassie Coma, egli dedusse che il moto di rotazione delle centinaia di galassie che lo componevano era incompatibile con la sola massa visibile con i telescopi. Ipotizzò quindi che vi fosse una quantità di materia invisibile più di 100 volte maggiore di quella stellare. Come accade a molti pionieri nella scienza, le sue scoperte rimasero inascoltate per più di quaranta anni, fino a quando lo stesso effetto fu notato anche all’interno della nostra galassia. Le stelle ruotano infatti con una velocità che può essere spiegata solo assumendo che anche la Via Lattea sia permeata di materia oscura che - come una melassa invisibile - tiene unita la nostra galassia. Studi successivi hanno evidenziato la presenza di materia oscura anche in altre galassie. Recentemente si è poi scoperto che il 73% dell'universo è costituito da una "energia oscura", una sorta di pressione negativa che domina l’evoluzione dell’universo accelerandone l’espansione. (Nel blog di Amedeo Balbi  altre info)

Ripartizione della massa dell’universo.

Dov'è finita l'antimateria?

Perché il 4% di materia comune che compone le stelle e le galassie è composto apparentemente solo di materia? Le leggi della fisica delle particelle elementari mostrano una simmetria tra materia ed antimateria. Queste leggi prevedrebbero un universo costituito da uguali quantità di materia ed antimateria. Dov’è che queste leggi cessano di essere valide? Quali leggi più generali e ancora ignote hanno prodotto questa macroscopica asimmetria tra materia ed antimateria? Lo scienziato e dissidente sovietico Andrei Sakharov, padre della bomba all’idrogeno sovietica, indicò nel 1967 le tre condizioni necessarie per portare alla asimmetria osservata. Secondo Sakharov è necessario: 

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

2) che non si conservi il numero barionico (ovvero, ad esempio, che sia possibile creare in una singola reazione protoni senza creare anche un ugual numero di antiprotoni) 

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

 Se queste condizioni possono essere considerate il palcoscenico in cui la materia finisce per dominare sull’antimateria, più di 40 anni di ricerche non hanno reso noti - a livello teorico o sperimentale - gli attori responsabili di questa interazione. Infatti non si conosce nessun fenomeno in natura che violi il numero barionico: conseguenza di questo è ad esempio la stabilità misurata del protone. La forza debole, quella responsabile del decadimento nucleare beta, può violare la simmetria di CP nel decadimento di alcune particelle. Questa violazione è però troppo piccola e – nonostante sia non completamente conosciuta - non sembra in grado di soddisfare appieno la terza condizione. In conclusione solo la prima condizione è 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.   

Questi misteri mostrano come la conoscenza dei fenomeni fisici dell’universo sia lungi dall’essere completa. La presenza della materia oscura costituisce una prova inequivocabile dell’esistenza di particelle a noi ancora sconosciute e non contemplate dal modello standard della fisica. Non è nemmeno chiaro se vi sia una relazione tra questi due misteri e se una soluzione anche parziale di uno possa contribuite alla comprensione dell’altro.

Per tentare di dare una risposta a queste domande è in corso uno sforzo multidisciplinare che coinvolge acceleratori di particelle, laboratori sotterranei, osservatori astrofisici ed rivelatori posti nello spazio.  E’ a quest’ultima categoria che appartiene il rivelatore PAMELA, un sofisticato apparato per lo studio dei raggi cosmici e la ricerca di antimateria, posto in orbita attorno alla Terra nel 2006.

I tre diversi approcci alla ricerca di materia oscura: nello spazio, sottoterra  e tramite acceleratori.

I raggi cosmici

I raggi cosmici furono scoperti da Domenico Pacini nel 1912 studiando la diminuzione della radiazione ambientale sott’acqua e da Victor Hess notando l’aumento della radiazione ad alta quota. Si tratta di un potente strumento investigativo del cosmo, in grado di fornire informazioni sia sui processi astrofisici estremi che su fenomeni legati alla fisica delle particelle elementari. Il 90% dei raggi cosmici nello spazio è costituito di protoni, il 9% di nuclei di elio, mentre il restante 1% contiene elettroni e tracce di tutti i nuclei più pesanti (Figura 2). Interagendo con l'atmosfera i raggi cosmici producono anche molte particelle elementari come pioni, muoni, positroni, molte delle quali sono state effettivamente scoperte per la prima volta sfruttando questo acceleratore di particelle che la natura ci fornisce. Nel corso degli anni ci si è rivolti spesso allo studio dei raggi cosmici in quanto sorgente di particelle con energie non accessibili agli acceleratori di particelle in funzione all’epoca. Anche al giorno d'oggi i più grandi acceleratori – pur potendo produrre sistematicamente grandi quantità di eventi alla ricerca di nuova fisica - non sono in grado di raggiungere le energie più elevate ancora accessibili solo tramite lo studio dei raggi cosmici.  

1. continua.
Parte 2

Flusso dei raggi cosmici carichi. La galassia ed il nostro sistema solare è  permeato da queste particelle che viaggiano quasi alla velocità della luce. I protoni costituiscono quasi il 90% ed i nuclei di elio circa il 10%. Le restanti frazioni  sono dovute a nuclei pesanti, elettroni ed antiparticelle.