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Quello che non sappiamo in fisica
In piedi sulla scala antincendio del suo ufficio a Ginevra, in Svizzera, l'assistente professore di fisica Steven Nahn, PhD '98, si gode l'aria della sera mentre enumera alcuni dei più grandi misteri dell'universo. La domanda a cui sta lavorando, dice, è così semplice che un bambino potrebbe farla: da dove viene la massa?
Detective Cosmico: La professoressa Gabriella Sciolla ha costruito un apparato per rilevare la materia oscura.
Rispondere richiede di spiegare perché le particelle fondamentali che compongono tutta la materia dell'universo hanno massa. Così Nahn e circa altri 30 ricercatori e studenti del MIT stanno lavorando a esperimenti da eseguire sul Large Hadron Collider, il nuovo acceleratore di particelle con sede presso l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare. LHC è un esercizio agli estremi: a temperature prossime allo zero assoluto, accelererà le particelle alle energie più alte mai raggiunte sperimentalmente, le sue migliaia di potenti magneti guidano i protoni lungo un percorso circolare di 27 chilometri di circonferenza fino a quando non si scontrano. Lo strumento dovrebbe essere pienamente operativo entro la fine dell'anno e Nahn calcola che trascorrerà metà dell'anno a lavorare lì; i suoi studenti e altri ricercatori trascorrono la maggior parte del loro tempo all'LHC. Ognuno vuole far parte del team che indaga su una delle più grandi questioni di fisica.
Lo trovo ironico, riflette Nahn. Sembra una domanda molto semplice, ma ci vuole un enorme acceleratore e migliaia di fisici che ci lavorano per cercare di trovare la risposta giusta.
Molte delle altre domande che spingono i fisici del MIT sono altrettanto basilari. Un altro grande problema che gli esperimenti di LHC potrebbero risolvere riguarda la natura di circa il 23 percento dell'universo, la cosiddetta materia oscura, la cui esistenza è dedotta dagli effetti gravitazionali sugli oggetti visibili. I fisici semplicemente non sanno cosa sia. Dov'è tutta la roba? dice Nahn, quasi scherzando. Penseresti che lo sapremmo.
Informazioni aggiuntive : 'Cos'altro non sappiamo'
Essere un fisico significa scervellarsi su ciò che il resto di noi diamo per scontato: che gli oggetti hanno una massa, che l'universo è costituito da materia invece che da antimateria, che la gravità funziona.
I fisici di tutto il mondo stanno ora lavorando per espandere e rivedere l'elenco delle parti dell'universo, il cosiddetto modello standard, un distillato compatto di circa 100 anni di ricerca, che tenta di descrivere le particelle e le forze che spiegano tutti i fenomeni fisici. Il modello standard include 12 particelle fondamentali che costituiscono la materia come la conosciamo, più le loro antiparticelle uguali ma opposte. Comprende le quattro forze fondamentali che regolano le interazioni tra le particelle: gravità, elettromagnetismo (responsabile della luce, del magnetismo e dell'elettricità) e le forze forte e debole (che mediano le interazioni all'interno dei nuclei atomici). E include particelle che trasportano le quattro forze, anche se quella che trasporta la gravità rimane ipotetica.
Questa struttura lega insieme tutto ciò che i fisici delle particelle sanno essere vero. Ci dice che i nuclei atomici, un tempo ritenuti indivisibili, sono costituiti da protoni e neutroni; protoni e neutroni sono ulteriormente divisibili in particelle chiamate quark, che sono tenute insieme dalla forza forte, il cui vettore è il gluone.
Il professor Frank Wilczek, che ha vinto il Premio Nobel per la fisica nel 2004 per il suo lavoro sulla forza forte, afferma che il modello standard è una buona descrizione funzionante di come funziona il mondo. Ma non tutto si adatta bene come lui e gli altri pensano che dovrebbe. La mancanza di prove sperimentali per il portatore di gravità, il gravitone, è una fonte di frustrazione, sebbene i fisici del MIT abbiano svolto un ruolo pionieristico nel tentativo di rilevarlo e stiano attualmente aggiornando macchinari che potrebbero essere i primi ad avere successo (vedi Catching Einstein's Waves, May /giugno 1008). E questa è solo una delle tante questioni in sospeso che i fisici del MIT stanno cercando di risolvere.
A tal fine, stanno costruendo rilevatori di materia oscura; ricerca di particelle fondamentali che completano quelle che conosciamo; e attendo con impazienza i risultati delle collisioni di particelle all'LHC, che alla fine consentiranno ai fisici di testare decenni di lavoro teorico su queste rigide descrizioni matematiche del nostro universo.
Perché le cose hanno massa?
Per Nahn, il pezzo mancante più intrigante del puzzle è la massa. Se prendi solo la teoria più semplice, ti direbbe che tutte [le particelle] sono prive di massa, dice. Che tu sia un laico o un fisico armato di sofisticati rivelatori di particelle, questa prospettiva sembra assurda. Gli elettroni, che costituiscono una frazione trascurabile della massa nei singoli atomi, hanno una massa di circa 0,0005 giga-elettronvolt (GeV); la particella fondamentale più pesante, il quark top, ha una massa di circa 175 GeV. In qualche modo, devi incorporare nella teoria un modo per generare questa diversità di massa, dice Nahn. Il modo più semplice per farlo è postulare un'altra particella, che è stata chiamata bosone di Higgs. Ciò che i fotoni sono per un campo elettromagnetico, i bosoni di Higgs sono per il presunto campo di Higgs, un mezzo che circonda tutto nell'universo e interagisce con le particelle elementari in un modo che conferisce loro massa.
Wilczek dice che senza il bosone di Higgs siamo come una razza di pesci intelligenti che non sanno di essere immersi nell'acqua. Questi pesci avrebbero maggiori possibilità di comprendere le leggi del loro universo se si rendessero conto che l'ambiente che davano per scontato era un materiale che modificava il modo in cui si muovevano, afferma Wilczek. Allo stesso modo, se assumiamo che ciò che ci appare come spazio vuoto sia un mezzo... abbiamo equazioni più belle che altrimenti. Ma non sappiamo che aspetto abbia [il bosone di Higgs], come se non avessimo visto molecole d'acqua.
I fisici ammetteranno prontamente che per i non iniziati, invocare particelle ipotetiche e mai viste per risolvere i problemi con le tue teorie può sembrare artificioso o addirittura, nelle parole di Nahn, un po' pazzo. Ma questo approccio si è dimostrato valido prima. Alla fine del XIX secolo, Dmitri Mendeleev sviluppò la tavola periodica e predisse diversi elementi chimici che furono successivamente osservati, inclusi gallio e germanio. Nel 1931, Paul Dirac postulò l'esistenza dell'antimateria per spiegare una conseguenza sconcertante di un'equazione che aveva derivato per riconciliare la nostra comprensione degli elettroni con la relatività. E Wilczek del MIT ha predetto il gluone, che è stato rilevato direttamente nel 1979.
Poiché i bosoni di Higgs sono altamente instabili, l'unico modo per osservarne uno è crearlo in una collisione ad alta energia. E nessun precedente acceleratore di particelle era abbastanza potente da produrre un numero affidabile rilevabile di bosoni di Higgs, che si prevede abbiano una massa compresa tra 114 GeV e 184 GeV. L'LHC, tuttavia, schiaccerà i protoni insieme a energie sette volte superiori a quelle raggiunte dal più potente acceleratore ora in funzione. Dobbiamo trovare questa particella di Higgs, o qualcosa del genere, in questa scala energetica, dice Nahn. I fisici sperano di trovare l'Higgs perché se non lo fanno, saranno costretti a concludere che il problema della massa del modello standard ha una soluzione più complessa. Ma per molti di loro, incluso Nahn, è già abbastanza eccitante poter finalmente testare sperimentalmente la teoria di Higgs. Il nuovo collisore, che è stato chiuso per riparazioni poco dopo l'apertura in autunno, dovrebbe tornare operativo nella primavera del 2009; fino ad allora, Nahn e i suoi studenti stanno lavorando su un software che monitorerà le operazioni di uno dei rivelatori dell'LHC ed eventualmente analizzerà i dati che genera (vedi The Making of a New Collider, maggio/giugno 2008).
Le quattro forze sono unificate?
Teorici come Wilczek stanno anche tentando di rendere il modello standard stesso più bello dal punto di vista matematico e praticabile sperimentalmente. Ognuna delle quattro forze ha il proprio insieme di equazioni di governo. Ma le equazioni sono asimmetriche, dice Wilczek. Lui e altri credono, tuttavia, che le forze siano come le quattro facce di un dado matematico. Sono discreti, ma ognuno è anche parte di un tutto. Wilczek sottolinea che, sebbene le forze abbiano generalmente intensità diverse, per particelle molto vicine l'una all'altra, hanno la stessa forza. Ciò suggerisce che l'impulso matematico a riunire le forze in un insieme governato da una teoria della grande unificazione è sulla strada giusta. L'elettromagnetismo e la forza debole si incastrano matematicamente abbastanza bene da essere già spesso indicati come un'unica forza, l'elettrodebole. Le equazioni per la forza forte sono simili a quelle per l'elettromagnetismo e la forza debole. Quello in cui è difficile adattarsi, dice Wilczek, è la gravità.
Può sembrare strano che i fisici ripongano così tanta fiducia nelle previsioni della matematica. Tuttavia, dice Wilczek, non mi fido delle mie opinioni a meno che la natura non ci incoraggi. Probabilmente non è un caso che le equazioni siano così simili, osserva. Le forze non dovevano unirsi, dice. Le equazioni non dovevano apparire come facce diverse dello stesso dado.
Wilczek non ha ancora avuto la soddisfazione di vedere l'unificazione confermata sperimentalmente: i fisici semplicemente non hanno avuto i mezzi. C'è un modo per testare la teoria, però. L'aggiunta di un altro lotto di particelle al modello standard fa funzionare i calcoli per l'unificazione. Ognuna di queste particelle supersimmetriche teoriche interagirebbe con altre particelle allo stesso modo di una delle particelle conosciute, ma sarebbe molto più massiccia. Wilczek spera che le collisioni ad alta energia di LHC producano almeno una particella supersimmetrica. Teorici come lui lavorano da decenni su questioni senza poterle testare; ora, dice, gli sperimentalisti stanno recuperando terreno.
Cos'è la materia oscura?
Gabriella Sciolla, professore associato di fisica al MIT, spera di convalidare la supersimmetria attraverso esperimenti sulla materia oscura. I fisici sanno, dall'osservazione delle interazioni gravitazionali delle galassie e di altri oggetti celesti, che c'è molta più massa nell'universo di quella che possono spiegare cercando i tipi identificati dal modello standard. Questa massa mancante è chiamata materia oscura perché non interagisce con i fotoni. Non può essere visto con i telescopi ottici o a raggi X. Di sicuro sono un po' di parte, ma per me la domanda aperta più interessante in fisica è: cos'è la materia oscura? dice Sciolla. Una semplice spiegazione è che è costituito da una o più particelle supersimmetriche.
Nelle viscere dell'edificio NW13, in una stanza di blocchi di cemento senza finestre che il suo gruppo di ricerca chiama dungeon, Sciolla sta testando un nuovo apparato chiamato Dark Matter Time Projection Chamber, essenzialmente un grande serbatoio di gas in acciaio inossidabile affiancato da due fotocamere digitali . Il principio alla base del rilevatore è semplice. Quando una particella di materia oscura colpisce un atomo di gas, l'atomo si ritrarrà, facendo cadere gli elettroni liberi che verranno rilevati dalle telecamere. Tracciando i percorsi di questi elettroni, Sciolla potrà vedere non solo che una particella ha colpito, ma da quale direzione. Questo sarà importante per stabilire che il rivelatore sta effettivamente vedendo la materia oscura, non qualcos'altro. Se, come credono molti fisici, la nostra galassia sta ruotando attraverso una regione stazionaria di materia oscura, allora la materia oscura dovrebbe colpire gli atomi nel rivelatore di Sciolla come la pioggia che colpisce il parabrezza di un'auto in movimento. La direzione di questa pioggia dovrebbe variare di circa 90º ogni 12 ore, perché l'asse di rotazione della Terra è di circa 45º rispetto alla materia oscura.
Sciolla e il suo gruppo di ricerca posizioneranno il loro rivelatore in un laboratorio sotterraneo per isolarlo dai raggi cosmici, una delle principali fonti di rumore, e trascorreranno il 2009 a raccogliere dati preliminari per dimostrare che il concetto funziona. In un anno, Sciolla spera di avere un rilevatore di un metro cubo che sarà 50 volte più sensibile; tra cinque anni spera di avere un rivelatore grande qualche centinaio di metri cubi.
Trovare particelle di materia oscura sarebbe l'equivalente del fisico di vincere il jackpot. Tutte queste grandi domande in fisica sono in qualche modo collegate, dice Sciolla. La materia oscura è l'unica risposta che soddisferebbe così tante diverse domande senza risposta in diversi campi della fisica. Rilevarlo fornirebbe una forte prova della supersimmetria.
Se la materia oscura risulta essere costituita non da particelle supersimmetriche ma da assioni, particelle ipotetiche che Wilczek ha svolto un lavoro importante per descrivere, quella scoperta potrebbe portare a un'altra enorme questione. Gli assioni figurano in modo prominente in una teoria esoterica che spiega perché la materia, al contrario dell'antimateria, prevale nell'universo, anche se il Big Bang ha prodotto tutte le particelle e le loro antiparticelle in numero uguale.
Che cos'è l'energia oscura?
Anche se viene rilevata la materia oscura e rivelata la sua natura, un altro curioso fenomeno che i fisici hanno chiamato energia oscura solleva molte altre domande. Le galassie vengono allontanate da una forza repulsiva, spiega Edmund Bertschinger, capo del dipartimento di fisica. Le misurazioni dell'ultimo decennio ci dicono che qualcosa di molto simile alla repulsione gravitazionale ha preso il sopravvento sull'universo. Cioè, l'universo si sta espandendo a un ritmo accelerato, ma i fisici non sanno perché. È a causa dell'energia oscura? O l'energia oscura è solo un concetto che si sta riparando su un fraintendimento delle leggi della fisica?
Nonostante la somiglianza nei loro nomi, l'energia oscura è probabilmente completamente estranea alla materia oscura ed è un mistero molto più grande. Ci sono spiegazioni plausibili della materia oscura, dice Bertschinger. Non abbiamo modelli plausibili di energia oscura che abbiano senso nel contesto della fisica delle alte energie. Il lavoro svolto da Bertschinger e molti altri ha dimostrato che i test per distinguere tra energia oscura e una forma modificata di gravità saranno molto difficili da sviluppare. Tuttavia, Bertschinger sta svolgendo un lavoro teorico che spera porterà a tali test nel prossimo decennio.
Questo è un grande momento in fisica, dice Sciolla. Tutto avrà una risposta nei prossimi anni, speriamo. E poi cosa? Bene, allora lei ei suoi colleghi potrebbero essere disoccupati, scherza Sciolla. Ma, aggiunge, sono sicura che ci saranno molte nuove domande senza risposta.