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L’Universo primordiale

 

Come è possibile guardare ai primi momenti dell’Universo?

I fisici hanno i loro modi e ciò che scoprono ci dirà molto su come funziona l’Universo oggi e su come si svolgerà in futuro.

Potresti aver sentito che, quando guardi una stella di notte, stai effettivamente guardando la luce emessa fino a decine di milioni di anni fa. Ci è voluto tanto tempo per la luce a viaggiare dalla stella alla Terra. La prova del nostro lontano passato è ovunque. Devi solo sapere dove e come cercarlo. Una delle grandi missioni della fisica delle particelle è quella di rintracciare questa prova ai nostri inizi.

Gli scienziati hanno utilizzato esperimenti e osservazioni per indagare sul nostro passato già da un secondo dopo il big bang. A quel punto, la materia stellare che compone tutto intorno a noi ha iniziato a materializzarsi. Ma quello che è successo prima ha deciso il carattere dell’Universo oggi e potrebbe anche prevedere come un giorno finirà.

I fisici delle particelle stanno lavorando per scoprire esattamente cosa è successo nel primo secondo. Molte delle grandi domande della fisica delle particelle oggi riguardano ciò che è accaduto in quel primo momento.

Secondo le teorie prevalenti, è andato qualcosa del genere: Immediatamente dopo il Big Bang, l’Universo era una zuppa calda e densa di particelle, inclusi bosoni di Higgs, quark e ciò che ora chiamiamo materia oscura. Ha iniziato ad espandersi e raffreddarsi. Quando ciò è accaduto, il campo di Higgs come lo conosciamo è entrato in vigore e ha dato massa alle particelle elementari. Quark e gluoni hanno iniziato a raggrupparsi per formare protoni e neutroni, che hanno poi iniziato a formare nuclei.

Sebbene non possiamo tornare indietro nel tempo e studiare di persona l’Universo primordiale, gli scienziati sono stati in grado di guardare indietro abbastanza lontano, quasi fino al primo secondo.

Gli astrofisici possono portarci in questo modo: indietro di oltre 13 miliardi di anni al tempo di 380.000 anni dopo il Big Bang. Usano potenti telescopi per studiare il fondo cosmico a microonde, un modello di antica luce termica che è stata impressa sul cielo quando gli atomi neutri hanno iniziato a formarsi dalla densa zuppa di particelle dell’Universo primordiale.

Il Big Bang è stato un momento in cui tutto è andato molto veloce, in un certo senso, l’Universo primordiale ha fatto i nostri esperimenti per noi. I fisici delle particelle hanno scrutato ulteriormente nel passato usando altri metodi. Gli esperimenti, per esempio, ci hanno già dato una visione limitata dei tempi prima che si formasse lo sfondo cosmico a microonde, fino al primo secondo dopo il Big Bang.

Gli esperimenti del collider possono parlarci dei primi momenti perché, anche se le condizioni erano diverse subito dopo il Big Bang, le leggi della fisica erano le stesse. Le leggi che vediamo al lavoro oggi hanno solo effetti diversi a diverse scale di energia.

Il Relativistic Heavy Ion Collider al Brookhaven National Laboratory di New York e il Large Hadron Collider al CERN in Svizzera si scontrano con particelle di energie spettacolari. Sebbene queste energie non siano, in larga misura, non lo saranno mai – abbastanza alte da ricreare il Big Bang stesso, imitano alcuni aspetti dell’Universo primordiale, che possono dirci qualcosa su come era.

Gli esperimenti condotti su entrambi questi collider, ad esempio, hanno fornito agli scienziati la prova che i quark – che di solito sono strettamente legati insieme – si scatenano nelle giuste condizioni. Se i quark si legano alle alte energie, anche loro non si legano nell’ambiente ad alta energia del nostro Universo subito dopo la sua nascita.

I fisici hanno anche ottenuto indizi sull’Universo primordiale da esperimenti che esaminano enormi particelle prodotte in acceleratori di particelle. Hanno scoperto che alcuni tipi di particelle decadono – o trasferiscono la loro energia in particelle più leggere – nella materia più spesso della loro decomposizione delle antiparticelle in antimateria. Questa violazione della simmetria della materia e dell’antimateria è un indizio di ciò che è accaduto nell’Universo primordiale, a quel punto i due avrebbero dovuto essere uguali.

Sapere cosa è successo nel primo secondo potrebbe rispondere a un paio di domande importanti: tutte le forze conosciute che governano le interazioni tra particelle di materia sono effettivamente aspetti di una singola forza? E cosa è successo a tutta l’antimateria che avrebbe dovuto esistere subito dopo il Big Bang?

Questa prima domanda potrebbe darci una nuova comprensione di come funziona il mondo. Esperimenti passati hanno portato gli scienziati a ipotizzare che le leggi della fisica, come le osserviamo oggi, potrebbero in realtà essere più semplici di quanto appaiano.

In un certo senso è una domanda estetica – vogliamo che la teoria sia semplice ed elegante.

Questa idea è stata costruita per un po’ ‘di tempo. Isaac Newton ha semplificato la nostra comprensione della natura, scoprendo che la forza che fa cadere le mele è la stessa forza che mantiene il nostro pianeta in orbita attorno al sole. Hans Christian Ørsted fece lo stesso quando notò che una corrente elettrica poteva spingere l’ago nella sua bussola, portando alla scoperta che l’elettricità e il magnetismo sono due aspetti di una singola forza.

Ora consideriamo l’elettromagnetismo come una delle quattro forze fondamentali: le altre sono la forza nucleare forte, che lega insieme i più piccoli frammenti di atomi; la debole forza nucleare, che consente al sole di brillare; e gravità. Tuttavia è possibile che alcuni o tutti quelli abbiano avuto inizio come un’unica forza unificata, una che si è spezzata nella prima frazione di un microsecondo dopo il Big Bang. Quando gli scienziati estrapolano ciò che sanno sulla forza delle diverse forze a diverse energie, trovano un punto – in una caratteristica energetica dell’Universo a meno di un trilionesimo di trilionesimo di trilionesimo di secondo dopo il Big Bang – in cui tutti delle forze a parte la gravità sono uguali.

È difficile pensare che sia solo una coincidenza….

La teoria delle stringhe, una teoria che considera tutte le particelle puntiformi come stringhe unidimensionali, potrebbe fornire un modo per incorporare la gravità anche in questa singola forza.

Comprendere come le forze si relazionano l’una con l’altra potrebbe darci un quadro più completo del modo in cui le cose funzionano oggi e dove andranno in futuro.

La seconda domanda scottante che gli scienziati hanno riguardo al primo secondo è: che cosa è successo a tutta l’antimateria?

Da tutto ciò che siamo stati in grado di vedere o estrapolare sulle leggi della natura, il Big Bang avrebbe dovuto creare uguali quantità di particelle di materia e antimateria. Ma quando la materia e l’antimateria si incontrano, si annichilano. In un Universo 50 e 50, nessuna struttura avrebbe dovuto essere in grado di svilupparsi. La materia e l’antimateria avrebbero dovuto annullarsi a vicenda, lasciando dietro di sé solo la pura energia.

Ma in qualche modo, la materia è sopravvissuta. E l’antimateria non si vede quasi da nessuna parte.

Se la forza unificata si spezzò e la materia superò l’antimateria nel primo secondo, i fisici vorrebbero saperlo. Un modo per indagare sulle condizioni dell’Universo primordiale è scoprire di cosa è fatto.

Tutta l’energia che esiste oggi è stata creata nel Big Bang.

Il modo per creare una particella è convertire l’energia in massa. E più una particella è massiccia, più energia ci vuole per produrre. Quando l’Universo era molto più piccolo e tutta la sua energia era concentrata, poteva creare particelle molto più massicce di quelle che vediamo oggi. In effetti, il nostro attuale Universo visibile è costituito solo dai rappresentanti più leggeri di tre generazioni di particelle.

Sapendo questo, potrebbe sembrare senza speranza che potremmo capire com’era l’Universo nel primo secondo. Ma ecco la sorpresa: esistono ancora tutte quelle particelle più pesanti, nascoste in uno strato virtuale sotto tutto ciò che vediamo, come i programmi radio trasmessi a frequenze che le nostre radio non possono ricevere.

I fisici ora comprendono che ogni particella è in realtà un’ondulazione di energia in un campo. Un protone è un’increspatura in un campo di protoni; un elettrone è un’ondulazione in un campo di elettroni; e così via. Le particelle massicce che esistevano nell’Universo primordiale potrebbero non essere tutte presenti oggi, ma i loro campi – e quindi il potenziale per la comparsa di quelle particelle – lo sono. Siamo circondati dai campi di tutte le particelle che siano mai esistite.

Gli scienziati hanno già scoperto diversi tipi di particelle massicce, ma le teorie su una forza unificata e l’asimmetria della materia e dell’antimateria predicono l’esistenza di ancora di più. Alcuni prevedono l’esistenza di versioni massicce di neutrini, che potrebbero aver eliminato lo squilibrio materia-antimateria. Altri prevedono una particella partner per ogni particella che già conosciamo.

I fisici possono cercare particelle di massa in un paio di modi. In primo luogo, usano gli acceleratori per produrre energia sufficiente a farli uscire dal nascondiglio. È così che la ricerca sulla fisica delle particelle funziona con acceleratori di particelle come il Large Hadron Collider. Quando le particelle ad alta energia si scontrano, la loro energia può convertirsi brevemente in massa, a volte sotto forma di queste particelle.

Ma questo sforzo è limitato dalla quantità di energia che un acceleratore di particelle può generare. Un secondo modo per investigare particelle voluminose nascoste è cercarle indirettamente.

Queste particelle antiche possono materializzarsi brevemente al di fuori delle collisioni di particelle usando energia presa in prestito da altre particelle. Quando lo fanno, possono influenzare il modo in cui queste particelle si deteriorano o interagiscono con altre particelle. Possono causare la decomposizione dei mesoni, particelle costituite da quark, in determinate coppie di particelle più o meno frequentemente del previsto. Possono causare comportamenti neutrini in modo imprevisto o aiutare le particelle a convertirsi in altre particelle. Possono influenzare il modo in cui i neutroni agiscono in un campo elettrico. Possono dare ai muoni un’ondulazione extra che diventa visibile in un campo magnetico.

Gli scienziati producono un gran numero di queste particelle negli acceleratori per controllare questi effetti. Misurando attentamente un certo tipo di decadimento o interazione, gli scienziati possono trovare segni di interferenza da una particella nascosta.

La fine dell’Universo?

Alcune teorie fanno una previsione particolarmente intrigante: che i protoni, mattoni nel cuore di ogni atomo, alla fine decadranno.

Da non preoccuparsi; questo processo catastrofico richiederebbe almeno un miliardo di trilioni di miliardi di anni per distruggere i nostri atomi. Tuttavia, ciò non significa che gli scienziati dovranno aspettare così tanto tempo per catturare uno in decomposizione.

Misurare l’emivita di una particella è tutta una questione di probabilità. Ad esempio, se hai 10 atomi con un’emivita di 24 ore, probabilmente alla fine della giornata sarai fino a cinque atomi. Ma i cinque atomi che hai perso non sarebbero decaduti tutti in una volta. Uno potrebbe essere decaduto dopo solo un secondo e un altro dopo 23 ore.

Lo stesso vale per i protoni. Alcuni potrebbero decadere mentre leggi questo, ma non abbiamo ancora gli strumenti per osservarlo. Gli esperimenti attuali e pianificati esamineranno più di un miliardo di trilioni di miliardi di protoni nei rivelatori nel sottosuolo per tentare di catturare il decadimento estremamente raro di questa particella con un’emivita di almeno 10 34 – questo è il numero 1 con 34 zeri dopo di esso. Scoprire il decadimento del protone sarebbe un forte segnale che le teorie sull’unificazione delle forze e l’asimmetria della materia e dell’antimateria sono corrette.

I fisici potrebbero anche trovare una visione del primo secondo in schemi diversi dallo sfondo cosmico a microonde lasciato nel cielo.

Prima che si formasse lo sfondo cosmico a microonde, l’Universo appariva torbido perché era pieno di particelle cariche. La luce era intrappolata dentro quella zuppa cosmica; se viaggiava anche per una breve distanza, rimbalzava su una particella carica. Alla fine, l’Universo si raffreddò e divenne trasparente quando le particelle si unirono per formare atomi neutri. La luce che fuoriesce è ora ciò che chiamiamo lo sfondo cosmico a microonde. Gli scienziati che usano metodi basati sulla luce non sono stati in grado di vedere oltre quel punto.

Ma una particella, il neutrino, è abbastanza astuta da dover riuscire a sgattaiolare attraverso quella foschia. Poiché i neutrini interagiscono così raramente con altra materia, non sarebbero stati assorbiti da altre particelle nel denso Universo pre-cosmico di fondo a microonde. Se i fisici potessero studiare modelli nei neutrini dell’universo primordiale, potrebbero guardare ancora più indietro nel tempo. Gli scienziati sono alla ricerca di modi per farlo, ma non ci sono ancora riusciti.

I fisici sperano anche di trovare modelli lasciati indietro dai primi giorni nelle onde gravitazionali. Come il fondo cosmico a microonde, le onde gravitazionali – increspature teoriche nello spaziotempo create mentre un enorme oggetto si muove – dovrebbero offrire una mappa di come appariva l’universo nei tempi precedenti. Poiché queste onde non sarebbero state influenzate dalla nuvolosità dell’Universo primordiale, questa mappa offrirebbe uno sguardo ai primissimi momenti, appena 10 -36 secondi dopo il Big Bang (questo è un trilionesimo di trilionesimo di trilionesimo di secondo) .

Risolvere il mistero di ciò che è accaduto nel primo secondo dell’Universo richiede il lavoro sia di teorici che di sperimentatori. I teorici inventano modelli e determinano le loro previsioni; gli sperimentatori escogitano modi per testare queste previsioni; e insieme teorici e sperimentali analizzano i risultati.

Nei prossimi anni, gli scienziati useranno acceleratori di particelle e misurazioni precise per cercare particelle massicce previste nelle teorie circa il primo secondo dopo il big bang. Utilizzeranno rivelatori estremamente sensibili per saperne di più sui neutrini, rivelando potenzialmente i cugini più massicci e ancora nascosti della particella che hanno contribuito allo squilibrio tra materia e antimateria. Cercheranno modelli simili al fondo cosmico a microonde che i neutrini o le onde gravitazionali potrebbero aver lasciato nell’espansione dell’universo primordiale. E cercheranno fenomeni previsti nelle loro teorie come il decadimento del protone.

Alla fine, non si tratta solo di guardare da dove veniamo. Rispondere alle domande sulle nostre origini ci dà un quadro più completo di come funziona l’Universo e ci aiuta a capire dove sta andando in futuro.

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