di  -  lunedì 22 marzo 2010

Mentre in Europa il Large Hadron Collider continua imperterrito ad aumentare l’energia delle collisioni al suo interno, raggiungendo il record di 7 TeV nel centro di massa, ovvero sparando tra di loro due protoni di 3.5 TeV ciascuno (TeV= tera electron volt), dall’altra parte dell’oceano i collider esistenti si stanno dando da fare per produrre più risultati possibili finché sono ancora in tempo, finché l’LHC non li supererà in energia e potenza.

Se la stanno cavando piuttosto bene a dire la verità.

In particolare due acceleratori hanno fatto fuoco e fiamme negli ultimi anni: il Tevatron, nell’istituto Fermilab di Chicago e il RHIC, nell’istituto di Brookhaven a Long Island, New York. I due acceleratori si occupano di cose diverse: il Tevatron è l’equivalente dell’LHC, ovvero accelera protoni e li fa collidere ad altissime energie, per studiare il comportamento di singole particelle ad alti regimi energetici.

Il RHIC invece, studia l’interno dei nuclei atomici. In particolare fanno collidere tra di loro due nuclei di oro (Au+Au) ad energie del centro di massa di 200 GeV per capire come si comporta la materia, i nuclei e quindi gli atomi, in condizioni di alta energia. 200 GeV può sembrare un numero basso rispetto ai 7 TeV dell’LHC, ma bisogna tener conto che qui si parla di nuclei, e anche abbastanza pesanti.

Utilizzare nuclei, quindi oggetti più “densi di materia” permette di studiare il comportamento della materia in condizioni estreme, cosa che utilizzando solo singoli protoni non è possibile fare. Infatti, anche l’LHC ha in progetto un programma di ioni pesanti (ovvero nuclei pesanti), in particolare per l’esperimento ALICE, il successore di STAR, l’esperimento del RHIC di cui parliamo in questo post.

I risultati di questo esperimento sono sempre più soddisfacenti. Non è molto vecchia la scoperta del cosidetto “quark gluon plasma“, una sorta di zuppa che si forma quando i due nuclei si scontrano ad altissime energie. Sappiamo che i nuclei atomici sono formati da protoni e neutroni.

E sappiamo anche che i protoni e neutroni non sono particelle elementari, ma sono a loro volta formati da particelle ancora più piccole chiamati quark. I quark sono tenuti assieme gli uni con gli altri per formare protoni e neutroni da particelle chiamate gluoni, “collanti”. Quando due nuclei si scontrato  ad energie così intense questi collanti non riescono più a tenere assieme i quark, che si liberano nello spazio.

Così, nel momento dello scontro, i due nuclei non sono più due entità, ma quello che si osserva è un plasma (o zuppa ;-) ) di quark e gluoni, appunto definito come “quark gluon plasma”. Il vantaggio di avere americani nella collaborazione è che sono molto bravi a comunicare, per cui ecco a voi un bel video che spiega il processo:

Questo plasma riproduce in un certo senso la condizione in cui si trovava l’Universo pochissimi millisecondi dopo l’esplosione del Big Bang. Di certo è la condizione che possiamo riprodurre che più vi si avvicina, raggiungendo (seppur in una dimensione microscopica) la temperatura più alta dopo quella del Big Bang vero e proprio: 4 trilioni di gradi.

C’è una particolare domanda che i fisici si pongono pensando al Big Bang e a cui non sanno ancora dare risposta: perché adesso non vediamo nessun nucleo di antimateria in giro, mentre si sa che all’epoca del Big Bang c’era equilibrio tra materia e antimateria? Attualmente il nucleo di antimateria più pesante presente in natura, o almeno nell’ambito di osservazione dell’uomo, è l’antinucleo di idrogeno, ovvero un antiprotone. Vediamo anche antielettroni (positroni), ma non si legano in anti-idrogeno. Perché quindi è così difficile per noi vedere antimateria?

Si può pensare allo scontro dei due nuclei di oro come a un mini laboratorietto in cui si ricrea la condizione iniziale dell’Universo, subito dopo il Big Bang. In questa “zuppa” vi è l’equilibrio tra quark e antiquark, per cui, quando il plasma si raffredda vengono espulse tutta una serie di particelle e antiparticelle, tra cui protoni e particelle dette “strane” poiché sono costruite con un tipo di quark molto particolare, con delle proprietà diverse da quelli che formano protoni e neutroni, e che si chiama appunto “quark strange”.

Le particelle che contengono il quark strano vengono chiamate iperioni (hyperon) e, quando un nucleo contiene una di queste particelle si chiama ipernucleo (hypernucleus). A questo punto possiamo riscrivere la famosa tabella periodica degli elementi, aggiungendovi un asse, rendendola quindi tridimensionale.

Il terzo asse rappresenta la stranezza. Vediamo un’illustrazione sulla destra.In pratica sopra la tabella periodica possiamo mettere gli ipernuclei e sotto, quando la stranezza è negativa, cioè quando il nucleo è formato da un’antiparticella strana, avremo gli anti-ipernuclei. Quindi si apre un’intero mondo di nuovi elementi sopra e sotto gli elementi classificati da Mendeleev, che fa in un certo senso da confine tra materia (con stranezza positiva) e antimateria (con stranezza negativa).

Complicato a dirsi, ma ancora più complicato a farsi. Eppure la collaborazione STAR, l’esperimento del RHIC che si occupa di questo, ha creato una particella composta da un anti-neutrone, un anti-protone e un anti-lambda, dove lambda è appunto una di queste particelle “strane”. Ma è l’antinucleo di che cosa?

Beh, in realtà, di niente che conosciamo. Nuclei e antinuclei stanno sopra e sotto la tabella periodica, per cui i “nostri” elementi sono nel piano, tranquilli. In pratica l’ipernucleo formato da un protone, un neutrone e un lambda è una specie di versione cicciona dell’idrogeno, una via di mezzo tra l’idrogeno e l’elio con in più la “stranezza”.

Ma perché tutto questo è così importante?

Beh, perché risponde alla più grande esigenza che i fisici hanno nello spiegare l’Universo: la ricerca della simmetria. È evidente da questo quadro che quello che vediamo attorno a noi, in queste condizioni di quiete, è solo un sottoinsieme, una fetta dell’Universo e delle possibili forme di materia che esso racchiude.

È evidente che in fase di formazione c’erano molto più particelle, che si legavano in molti più nuclei, formando molta più materia. Poi, quelli più “semplici”, o comunque gli stati più conservativi da un punto di vista energetico hanno avuto la meglio, ma osservare solo quello che abbiamo sotto mano è molto limitante e lascia aperti molti dubbi. Vediamo un po’ di antimateria, ma non a sufficienza da comprenderne la natura. Eppure ricostruendo le condizioni iniziali dell’Universo tutto appare più chiaro, tutto riprende la sua simmetria, basta aggiungere una dimensione alla classica tavola di Mendeleev, e tutto torna.

Per chi ha coraggio da vendere, l’articolo originale è a disposizione qui o sulla rivista Science.

22 Commenti »

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  • # 1
    Andrea
     scrive: 

    Veramente molto interessante!!!

  • # 2
    Alessio
     scrive: 

    Beh, il nucleo di “idrogeno ciccione” formato da anti protone, anti neutrone e anti lambda non potrebbe essere l’anti deuterio, ovvero l’anti isotopo dello stesso idrogeno?!

  • # 3
    Cesare Di Mauro
     scrive: 

    L’antideuterio dovrebbe essere costituito da un antiprotone e un antineutrone, ma mi sembra di aver capito che le antimateria ha qualche “piccola” difficoltà ad aggregarsi e/o rimanere stabile. :D

  • # 4
    Wilfrick
     scrive: 

    Diamo (gli scienziati danno) così per scontato che ci sia stato un Big Bang? Più leggo questi articoli e più penso che sia solo una delle molte possibilità, e cmq tutto sempre sotto l’ostinazione di voler per forza “credere” che ci sia un inizio (e pertanto anche una fine). E dato che pertanto è “scontato” che ci sia un inizio, è altrettanto logico pensare che l’inizio abbia avuto origine (o sia stato originato) da qualcosa, quindi questa linea di pensiero porta all’ “ammissione” da parte della scienza dell’esistenza di Dio (in qualsiasi forma lo vogliamo intendere) che pone inizio a tutto.

  • # 5
    carlo
     scrive: 

    i viaggi degli esseri umani nello spazio tempo iniziano a prendere vita

  • # 6
    Gurzo2007
     scrive: 

    @Wilfrick

    infati gli scienziati hanno sempre affermato che presumibilmente c’è stato un inizio( ma si studia per verificare se c’è stato o meno, dato che non se ne ha la certezza appunto)…ma da qui a dire che quindi confermano il dio creazionista( della corrente religiosa) ce ne passa…

  • # 7
    Wilfrick
     scrive: 

    Non ho parlato di corrente religiosa (infatti ero certo che venissi immediatamente frainteso).
    Ho detto Dio in qualsiasi forma lo si voglia intendere.

  • # 8
    Cesare Di Mauro
     scrive: 

    Il Big Bang non implica necessariamente un “inizio”.

    Possiamo considerarlo un inizio, ma per come lo concepiamo noi: come qualcosa da cui ha avuto origine la storia dell’universo… che conosciamo.

    Il Big Bang potrebbe benissimo essere l’n-esima esplosione cosmica di un ciclo che potrebbe anche essere infinito. Ma non abbiamo altre informazioni né penso le potremmo avere mai, sull’argomento.

    In ogni caso possiamo benissimo fare a meno dell’ipotesi di un dio creatore.

    Altrimenti dovremmo cominciare a pensare a qualcosa circa l’origine di dio, quindi spostando semplicemente indietro il problema.

  • # 9
    Marco
     scrive: 

    Non è inappropriato parlare del big bang come inizio in scienza; in quanto eventi anteriori al big bang non possono avere influenza su cosa è successo dopo, quindi non ha senso includerli nel nostro modello di universo; infatti noi conosciamo (forse) e possimao reperire (in parte) solo dati che sono successi solo dopo il big bang.

    Marco

  • # 10
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    Mi faccio pubblicità da sola e vi rimando a un post che scrissi esattamente un anno fa:
    http://www.appuntidigitali.it/3462/il-grande-rimbalzo-nuove-teorie-gravitazionali-prevedono-un-universo-che-muore-e-ritorna/

  • # 11
    Gurzo2007
     scrive: 

    @Wilfrick

    la parola dio in qualsiasi forma( ovvero, entità superiore? caso? quasi sarebbero le forme di questo dio?) non ha senso…

  • # 12
    Aesyr
     scrive: 

    @Wilfrick
    Penso che il problema sia solo nelle parole che usi. Non è forse meglio parlare di “principio” (o archè o quant’altro) invece che ricorrere subito a termini con troppi significati aggiuntivi come la parola “Dio”?
    Poi per i credenti il principio può anche ricondursi al concetto di un Dio, per gli altri no, ma almeno si evitano le ambiguità nel discorso.

  • # 13
    Filippo1974
     scrive: 

    Per quelli che si chiedono se può avere un senso l’ipotesi di un Universo caratterizzato da un inizio, consiglio i libri di Stephen Hawking, in particolare “Dal big bang ai buchi neri” e “L’universo in un guscio di noce”. Mi sono stati regalati per il compleanno e devo dire che la lettura è stata entusiasmante.

    Attualmente, tra le tante ipotesi possibili sul nostro Universo, quella che prevede un “inizio” è ritenuta la più probabile. Mi piace ricordare l’aneddoto secondo cui Einstein, nel risolvere le sue stesse equazioni della Relatività, si trovò a constatare che l’universo non era sempre stato come lo vediamo ora. Non volendo accettare l’idea che potesse esserci stato un inizio, introdusse forzatamente un “imbroglio”, una costante “correttiva” nelle leggi della Relatività, allo scopo di riammettere un Universo statico tra le soluzioni. Trovata questa di cui Einstein, per sua stessa ammissione, si pentì poi amaramente.

    Ciao
    Filippo

  • # 14
    Giacomo
     scrive: 

    magari l’universo è dio stesso, e come entità onnipotente si è creato da solo, non ha avuto bisogno di qualcun altro che lo creasse.. e leggete il racconto L’Ultima Domanda di Asimov (trovate anche il riassunto su wikipedia) per un’altra ipotesi.. tecnologica ;)

  • # 15
    goldorak
     scrive: 

    @ Filippo1974 : Quando Einstein introdusse la constante cosmologica, lo fece perche’ all’epoca non cercano prove dell’espansione dell’universo. L’universo statico era qualcosa di accettabile e quindi fu “necessario” intodurre un termine correttivo nell’equazione. Sara’ Hubble alla fine degli anni 20 a mettere in evidenza il fatto che le galassie si allontanano da noi con una velocita’ che e’ proporzionale alla loro distanza. Questa velocita’ di recessione fu interpretata come dovuta appunto all’espansione dell’universo. A quel punto i modelli statici non avevano piu’ motivi di essere e la costante cosmologica fu giustamente scartata.
    Ironia della sorte, qualche decennio dopo e’ stata reintrodotta ma per un motivo diverso da quello originale. Adesso corrisponderebbe ad un energia “negativa” (energia oscura) di cui tanto si parla e che rappresenterebbe oltre il 70% del contenuto dell’universo. ^_^

  • # 16
    Giulio Severini
     scrive: 

    Ammazza che articolo!!! Bello proprio, complimenti :)

  • # 17
    Giulio Severini
     scrive: 

    @Wilfrick

    Se usi la parola ‘Dio’ allora stai parlando di religione. Se non vuoi parlare di religione allora non usare la parola ‘Dio’. Non aggiustiamoci sempre le cose come ci pare.

  • # 18
    Marchingegno
     scrive: 

    Considerazioni…

    Nel titolo si parla di nucleo più “pesante”, ma visto che il peso è una conseguenza della massa, mi chiedo se l’antimateria ha massa.

    Ma se la massa è la quantità di materia, allora l’antimateria non ha massa ma antimassa?

    Quindi l’antimateria tende a schizzare verso l’alto con accelerazione “g”?

  • # 19
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    No, l’antimateria ha massa e la massa è sempre positiva poiché rappresenta l’energia a riposo dell’oggetto. Per cui la massa è uguale tra materia e antimateria, si tratta semplicemente di quantità di energia, che è sempre positiva.
    La differenza tra materia e antimateria è un’altra quantità, cioè l’elicità della particella. Se la particella è carica ha anche carica elettrica inversa, ma tutte le altre proprietà, tra cui anche la massa, restano identiche…..

  • # 20
    Davide Speranza
     scrive: 

    Brava Eleonora! Trovo questi articoli di fisica estremamente stimolanti…

  • # 21
    flauzio
     scrive: 

    Complimenti!

  • # 22
    opossum81x
     scrive: 

    boh non ci ho capito molto.
    ma alla fine quanto pesa questo “coso”?

    tipo quante N volte rispetto all’atomo di uranio?
    scusate l’ignoranza ma non è il mio campo.

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