La Super-simmetria alle corde

 

Il modello standard della fisica delle particelle, nonostante i successi registrati negli ultimi anni, tra cui la previsione del bosone di Higgs, non ancora riesce a spiegare completamente il nostro universo. Per esempio non riesce a spiegare la materia oscura che i cosmologi credono riempire l’interno Universo e il perche’ subito dopo il Big Bang sia sopravvissuta la materia all’antimateria. Alcune estensioni del modello standard come la Super-simmetria, riescono a spiegare questi fenomeni prevedendo l’esistenza di nuove particelle chiamate “sparticle” e nuove interazioni.

Come si puo’ vedere dalla tabella la Super-simmetria associa ad ogni fermione (particella con spin semintero – lo spin e’ una grandezza quantistica che non ha equivalente nella meccanica classica anche se per analogia puo’ essere assimilabile ad una rotazione della particella intorno ad un proprio asse) un bosone (spin intero) e viceversa. Si tratta di una simmetria fra fermioni e bosoni. Quindi ogni fermione ha un superpartner bosonico ed ogni bosone un superpartner fermionico. Le coppie vengono chiamate partner supersimmetrici e le nuove particelle chiamate spartner o sparticelle. Notare che lo spin delle sparticelle e’ equivalente a quello delle particelle meno ½. Fino ad oggi, nessuna di queste particelle e’ stata individuata sperimentalmente. Ma essendo la super-simmetria una teoria molto elegante da un punto di vista matematico si tende a credere che essa sia corretta anche se non c’e’ al momento nessun riscontro sperimentale. Anzi. Una delle ultime notizie apparse su Nature riguardante la misura del dipolo elettrico dell’elettrone eseguita dalla collaborazione ACME guidata dal professore David De Mille della Yale University e da John Doyle e Gerald Gabrielse della Harward University (link articolo) sembra mettere alle corde la supersimmetria. Anche se questi ultimi risultati sembrano indicare una non correttezza della teoria super-simmetrica, esistono delle versioni modificate di tale teoria in cui i risultati ottenuti potrebbero essere ancora spiegati. Ma che tipo di misura ha effettuato il gruppo della collaborazione ACME? Che cosa e’ il dipolo elettrico dell’elettrone? In genere si conosce il momento di dipolo di molecole con una loro struttura interna come mostrato in figura (il dipolo per definizione e’ un sistema composto da due cariche elettriche uguali e di segno opposte e separate da una distanza costante nel tempo).

Ma se l’elettrone e’ puntiforme come fa ad avere una struttura interna? E se non ha una struttura interna come fa ad avere un dipolo elettrico? Per capire il dipolo elettrico dell’elettrone bisogna far ricorso alla meccanica quantistica che prende il posto della fisica classica quando scendiamo a livello atomico. Secondo la meccanica quantistica il vuoto pullula di particelle virtuali ( si parla di mare di particelle virtuali) come coppie di elettrone-positrone (elettrone con carica positiva) che si formano e si annichilano di continuo vivendo per frazioni infinitesime di tempo. In una regione dove c’e’ un elettrone lo spazio e’ riempito con queste coppie e poiche’ l’elettrone e’ carico negativamente esso attirera’ a se i positroni e respingera’ gli elettroni virtuali. Ecco come si forma il dipolo. Una nuvola di cariche positive che scherma la carica negativa dell’elettrone cosiddetto nudo (bare electron) cioe’ l’elettrone reale e non virtuale.

 

Se analizziamo questo effetto inserendo tutte le particelle-antiparticelle cariche previste dal modello standard, la nuvola intorno all’elettrone dovrebbe avere una simmetria quasi sferica e quindi un momento di dipolo elettrico inferiore a 10^-36 e.cm (ricordiamo che il momento di dipolo come detto precedentemente e’ dato da u=q^.d dove q e’ la carica e d la distanza delle due cariche del dipolo). Se estendiamo il modello standard con la Super-simmetria allora la nuvola elettronica dovra’ contenere anche le nuove particelle cariche ( i partner simmetrici delle particelle ordinarie del modello Standard) e la previsione teorica del momento di dipolo elettronico da’ un valore di 5x10^-25 e^.cm, superiore a quello del caso Standard. Ma dal momento che il valore ottenuto dalla collaborazione ACME e’ di molto inferiore a quello teorico previsto dalla Super-simmetria (|u| < 8.7×10−29 e^.cm al 90% di confidenza) questo sembra indicare l’assenza di particelle Super-simmetriche in Natura. Lo scarto e’ estremamente piccolo anche se significativo. Se l’elettrone avesse le dimensioni del nostro sistema solare, la differenza da una sfera perfetta non supererebbe lo spessore di un capello. La misura del dipolo dell’elettrone e’ stata effettuata utilizzando il concetto di spin degli elettroni. Cosi come un uovo fatto ruotare intorno ad un suo asse barcollera’ a causa della sua forma oblunga mentre una palla di biliardo no (essendo una sfera quasi perfetta) se l’elettrone quantistico non e’ perfettamente sferico oscillera’ intorno al suo asse di spin. I ricercatori dell’ACME con il loro esperimento sono andati alla ricerca di questi barcollamenti degli elettroni utilizzando delle molecole di monossido di Torio molto pesanti.

In base ai risultati ottenuti dal team del professore De Mille possiamo dunque dire che la teoria super-simmetrica e’ morta? Non ancora anche se in molti lo credono visti gli ultimi risultati dell’LHC del CERN. Ad esclusione dell’ultimo tassello mancante del modello standard, il bosone di Higgs, finora non sono stati trovati segnali di nuove particelle. Ed e’ altamente improbabile dopo questo risultato del dipolo elettrico dell’elettrone che possa emergere qualche nuova particella nel dominio dei TeV (teraelettronvolt 10¹² eV). Di sicuro i fisici che studiano il dipolo degli elettroni continueranno a fare di tutto per spingere il limite della loro misura sempre piu’ basso, nella speranza che un segnale venga infine trovato. Per questo motivo la comunita’ dei fisici e’ in trepidante attesa dei risultati della prossima sessione di collisioni del LHC, prevista per il 2014 quando l’acceleratore arrivera’ ad energie mai raggiunte prima. Non ci resta che aspettare per capire se davvero la teoria della Super-simmetria anche se matematicamente elegante non e’ quella scelta dalla Natura.

Articolo su arxiv: http://arxiv.org/abs/1310.7534

Onde gravitazionali: increspature del tessuto spazio-temporale

Albert Einstein predisse l’esistenza delle onde gravitazionali nel 1916 all’interno della teoria della Relativita’ Generale. In essa lo spazio e il tempo sono aspetti di una singola realta’ misurabile chiamata spazio-tempo. Materia ed energia sono le due facce della stessa medaglia. E’ possibile pensare allo spazio-tempo come ad un tessuto; la presenza di grandi quantita’ di materia o energia distorce lo spazio-tempo (cioe’ deforma il tessuto) ed e’ questa distorsione che noi percepiamo come gravita’. Oggetti in caduta libera, siano essi palloni, mele o satelliti, seguono il cammino piu’ corto in questo spazio-tempo curvato.
 

Attenzione. La ricostruzione bidimensionale riportata qui sopra e’ solo un modello usato per rappresentare quello che nella realta’ e’ uno spazio a 4 dimensioni (3 spaziali e una temporale). Osservare anche che la curvatura del tessuto e’ debole lontano dalla massa mentre e’ molto accentuata nelle sue vicinanze. E’ chiaro che la perturbazione dello spazio-tempo dipende dalla quantita’ di materia o di energia. Maggiore e’ la massa maggiore e’ la curvatura sia dello spazio che del tempo. Non e’ difficile quindi immaginare cosa succeda all’aumentare della massa. Ad un certo punto il tessuto si strappa e si forma quello che conosciamo come un buco nero. La massa e’ cosi’ grande che niente puo’ sfuggire al suo intenso campo gravitazionale. Qualsiasi cosa che orbita nelle vicinanze cade all’interno del buco nero senza mai piu’ poter tornare indietro incluso la luce.

Ma cosa sono le onde gravitazionali? La maggior parte degli scienziati le descrivono come delle “increspature” dello spazio-tempo cosi come una barca che attraversa l’oceano calmo produce delle onde nell’acqua. Queste onde dovrebbero essere prodotte da masse in movimento come stelle o buchi neri. Piu’ gli oggetti sono massicci e piu’ potenti saranno le onde gravitazionali; piu’ gli oggetti si muovono velocemente e maggiore sara’ il numero di onde prodotte in un certo intervallo di tempo. Gli eventi piu’ interessanti quindi per la rilevazione di onde gravitazionali sono: scontri tra buchi neri, scontro tra due galassie (merging in inglese) o coppie di stelle di neutroni.  

Buchi neri, stelle o galassie in orbita tra loro e ancora di piu’ se si scontrano, “emanano” onde gravitazionali verso lo spazio esterno che raggiungono poi la Terra. Le onde gravitazionali rispetto a quelle elettromagnetiche sono molte piu’ deboli ma hanno il vantaggio di poter passare attraverso la materia senza essere significativamente perturbate.Per questo ci possono aiutare a capire meglio l’universo. Per esempio l’unica possibilita’ per poterci avvicinare al Big Bang con le nostre osservazioni e’ quella di usare le onde gravitazionali in quanto con la luce possiamo arrivare fino a circa 300000 anni dopo il grande scoppio ( a causa della continua interazione dei fotoni con la materia in quel burrascoso periodo). Gli scienziati credono che come il Big Bang abbia creato la cosiddetta radiazione cosmica di fondo abbia dato origine anche ad un diluvio di onde gravitazionali. Da quello che sappiamo oggi queste onde sono l’unica forma di informazione capace di arrivare a noi dopo il Big Bang senza essere state distorte. Esse dovrebbero apparire come un fondo “stocastico” o “randomico” e dovrebbero portare con se le informazioni sulla loro violenta origine e sulla natura della gravita’ che non possono essere ottenute con nessun altro oggetto astronomico. Sfortunatamente quando queste onde arrivano sulla Terra sono estremamente deboli e quindi difficili da rilevare. Questo e’ dovuto al fatto che come per le onde nell’acqua, l’intensita’ diminuisce man mano che ci si allontana dalla sorgente. Gli scienziati hanno dovuto usare la loro immaginazione per realizzare degli strumenti abbastanza sensibili per cercare di rilevare queste leggere variazioni dello spazio-tempo. La tecnica e’ quella dell’interferometria. Delle masse di prova vengono poste a grande distanza tra loro e dei laser continuamente misurano la distanza di queste masse. Le masse sono libere di muoversi in modo che quando passa un’onda gravitazionale la distanza tra esse viene disturbata e quindi fluttua. In altre parole lo spazio tempo verra’ allungato o accorciato a seconda della direzione dell’onda gravitazionale. I laser registrano queste variazioni della distanza permettendo agli scienziati di poter capire se e’ passata o meno un’onda gravitazionale. Piu’ grande e’ la distanza tra le masse, e piu’ i laser sono sensibili alle piccole fluttuazioni. Al momento ci sono diversi progetti sparsi per il mondo alla ricerca di queste onde: LIGO (USA), VIRGO (Italia/Francia), GEO (Germania/Gran Bretagna), TAMA (Giappone) e il progetto LISA (Agenzia Spaziale Europea) che dovrebbe entrare in funzione nel 2017. Quest’ultimo sara’ l’unico rilevatore a non trovarsi sulla superficie terrestre ma nello spazio. Esso sara’ costituito da tre satelliti artificiali posti ai lati di un triangolo equilatero, separati tra loro da una distanza di 5 milioni di chilometri. Questo triangolo si muovera’ in un’orbita solare, alla distanza di 1UA dal sole.
 

Il rilevatore LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ) invece e’ stato uno dei primi interferometri costruiti e ad oggi e’ quello piu’ sensibile. Si trova in America ed e’ un progetto congiunto tra scienziati del California Institute of Technology (Caltech) e del Massachusetts of Technology (MIT). E’ costituito da 3 rivelatori posti nelle citta’ di  Livingston, Hanford Site e Richland. Ognuno di essi e’ costituito da due bracci lunghi dai 2 ai 4 Km, posti ad angoli di 90 gradi tra loro, con la luce che passa attraverso dei tubi a vuoto del diametro di 1 m. Un’onda gravitazionale che colpisce il rivelatore tendera’ in una direzione ad allungare leggermente il braccio e nell’altra ad accorciarlo.
 

Sono queste piccole variazioni che i fisici del pianeta stanno cercando. Ma nonostante i lunghi bracci, le onde gravitazionali piu’ intense cambierebbero la distanza tra le estremita’ dei bracci di solo circa 10^-18 metri (cioe’ un 1 preceduto da 18 zeri). La massima risoluzione che si puo’ ottenere al momento con LIGO e’ dell’ordine di 5X10^-22 metri. Ma come si spiegano queste piccole fluttuazioni? L’intensita’ del campo delle onde gravitazionali, e’ espressa dal fattore adimensionale h=(GM/Rc²)(v²/c²)

dove il primo fattore e’ il potenziale Newtoniano dovuto ad una massa M ad una distanza R diviso la velocita’ della luce al quadrato. Il secondo fattore invece e’ il fattore relativistico essendo il rapporto tra il quadrato della velocita’ del sistema e quella della luce al quadrato. Essendo le distanze R delle sorgenti di onde gravitazionali molto grandi questo fa si che il parametro h sia molto, molto piccolo, da rendere quasi impossibile l’individuazione delle onde gravitazionali.

Ad oggi nessuno degli esperimenti e’ riuscito a “vedere” le onde gravitazionali. Ma questo non e’ un insuccesso in quanto contribuisce comunque a chiarire alcuni aspetti della storia primordiale del nostro Universo. Di modelli dell’universo neonato ne esistono diversi (teoria delle stringhe) e grazie al fatto che fino ad oggi non sono state osservate le onde gravitazionali ha fatto in modo di poter eliminare diversi possibili modelli. E’ stato un altro piccolo passo nella comprensione dei parametri che descrivono l’evoluzione dell’universo pochi minuti dopo il Big Bang. Secondo la teoria delle stringhe e’ possibile che nella fase iniziale dell’universo si siano formate delle stringhe cosmiche successivamente “stirate” dall’espansione; queste stringhe avrebbero potuto formare degli anelli di energia producendo delle onde gravitazionali. Poiché’ queste non sono state osservate, quei modelli che prevedono onde gravitazionali molto intense subito dopo la nascita dell’universo possono essere abbandonati (vedi articolo An Upper Limit on the Amplitude of Stochastic Gravitational-Wave Background of Cosmological Origin su Nature).

Riuscire a dimostrare l’esistenza delle onde gravitazionali non portera’ solo ad una migliore conoscenza del nostro universo e della sua nascita ma anche una conferma della cosiddetta teoria quantistica dei campi. Secondo la meccanica quantistica (dualismo onda-particella) ogni particella può essere considerata come un’onda e allo stesso tempo ogni onda (come quella della luce) come costituita da particelle (i fotoni nel caso della luce). Come un’ onda elettromagnetica si puo’ considerare come una sovrapposizione di fotoni, allo stesso modo un’onda gravitazionale si puo’ considerare come costituita da quanti detti “gravitoni”, particelle di massa nulla e viaggianti alla velocita’ della luce esattamente come i fotoni per “trasportare” la forza da un oggetto all’altro. Quindi la rilevazione delle onde gravitazionali sarebbe una prova dell’esistenza del gravitone che e’ l’unico bosone ancora mancante nel quadro del modello standard. Secondo questo modello le forze fondamentali sono 4: 1) Forza elettromagnetica 2) Forza debole 3) Forza nucleare 4) Forza gravitazionale

e ognuna di queste ha un “vettore” che trasmette l’interazione tra gli oggetti chiamato bosone (l’onda rossa dell’immagine qui sotto).
 

La prima forza e’ responsabile dell’interazione tra cariche elettriche e il vettore portatore di tale forza si chiama fotone, la seconda e’ responsabile della radioattivita’ del nucleo e i portatori sono le famose particelle Zo e W+/W-, la terza e’ responsabile della coesione del nucleo col vettore chiamato gluone (dall’inglese colla) e l’ultima dell’interazione tra la materia presente nel nostro universo grazie allo scambio del gravitone. Riguardo le particelle fondamentali, secondo il modello standard tutto si riduce ai cosiddetti quark e leptoni come mostrato nella tabella sottostante.
 

E’ stato proprio il modello standard negli ultimi mesi a trovarsi sotto le luci della ribalta grazie alla scoperta del Bosone di Higgs al CERN di Ginevra. Nel modello standard infatti c’era un problema: le particelle non avrebbero dovuto avere una massa implicando delle forze a lungo raggio di azione. Ma noi sappiamo che cio’ non e’ vero come nel caso delle forze deboli dove il raggio di azione e’ molto corto essendo i quanti mediatori delle particelle molto pesanti. Tutto e’ andato al suo posto nel momento in cui e’ stata scoperta la particella di Higgs. Secondo quanto predetto da Higgs le particelle non hanno massa ma l’acquistano solo dopo aver interagito con un campo detto appunto campo di Higgs. In questa ottica, i bosoni della forza elettrodebole hanno una massa in quanto interagiscono col campo di Higgs mentre i fotoni no in quanto non interagiscono con esso.

Un’analogia usata comunemente per rappresentare la diversa interazione delle particelle elementari con il campo di Higgs, e quindi l’origine delle loro masse, è quella del gelataio che arriva su una spiaggia affollata da bambini; tutti i bambini corrono verso il gelataio rallentandone il suo moto e dando cosi l’impressione che il gelataio sia diventato piu’ “pesante” essendo diventato piu’ lento. Se il campo di Higgs (i bambini sulla spiaggia) non esistesse, l’universo sarebbe fatto di particelle (i gelatai) senza massa in moto alla velocità della luce!

In definitiva l’eventuale scoperta delle onde gravitazionali e del gravitone aggiungerebbe un altro tassello importante al modello standard e alla comprensione quindi del mondo che ci circonda.


Ieri, 11 Febbraio 2016 e' stato dato l'annuncio della scoperta delle onde gravitazionali da parte del team LIGO. Qui di seguito i dettagli tecnici. Buona lettura.

https://www.ligo.caltech.edu/system/media_files/binaries/301/original/detection-science-summary.pdf