La “Monthly Notices of Royal Astronomical Society” pubblica il nuovo dato di misurazione delle dimensioni dell’Universo che deriva dalle osservazioni fatte dal gruppo internazionale coordinato dall’Istituto tedesco Max Planck.

Il valore si discosta dal valore finora indicato della costante di Hubble di qualche frazione. Questa discrepanza anche se lieve potrebbe se confermata portare a riconsiderare la correttezza del Modello Standard cosmologico.

I ricercatori coordinati dall’istituto Max Planck hanno misurato la velocità con cui si allontanano fra loro tre galassie utilizzando una lente gravitazionale che funge per i cosmologi come una vera e propria lente di ingrandimento generata da effetti gravitazionali ammassi massicci che deviano con la loro massa i raggi luminosi provenienti da zone remote. Misurando i diversi tempi di percorrenza della luce si è dedotta la velocità con la quale le galassie si allontanano. Il valore ottenuto è differente da quello indicato dal satellite europeo Planck e fino ad oggi ritenuto corretto.

Al momento la misura pervenuta dalle osservazioni recenti ha un’incertezza intorno a 4% ed è già un ottimo risultato, ma ancora relativamente grande per avere la certezza della correttezza del dato ottenuto, ma se venisse confermata la disparità dei due valori, il modello cosmologico attuale vacillerebbe e ciò segnerebbe l’avvento di una fisica del tutto nuova.

Un gruppo di fisici propone un nuovo modello della Fisica che potrebbe risolvere misteri della Fisica delle particelle come l’energia e la materia oscura, e l’inflazione cosmica.
Come molti sanno, il Modello Standard ha superato molteplici conferme della sua validità, descrivendo in maniera quasi del tutto esauriente tutti i fenomeni che avvengono nel regime delle “basse energie” in termini delle particelle elementari che ultimamente costituiscono l’Universo e delle interazioni tra esse.

jets

Le particelle elementari descritte dal Modello Standard sono divise in due categorie: i fermioni, le particelle che costituiscono la materia, e i bosoni, le particelle che vengono scambiate e che sono il mezzo con cui descrivere le interazioni.
Nonostante questo il Modello Standard non riesce a spiegare cinque dei più grandi misteri della fisica contemporanea: la materia oscura, le oscillazioni dei neutrini, la bariogenesi, l’inflazione cosmica, e il problema della CP forte, che descriveremo di seguito.

Un nuovo modello sviluppato da un gruppo di ricerca franco tedesco si chiama SMASH e prevede l’impiego di sole sei nuove particelle per conciliare le lacune del Modello Standard della Fisica elencate sopra. Secondo i suoi ideatori non sarà nemmeno così difficile da verificare, e non comporta importanti modifiche al modello standard, ma si tratta di una sua estensione. La proposta è stata pubblicata su Arxiv ed è al vaglio della comunità scientifica.

È presto per avere una risposta sulla sua validità; il punto di partenza tuttavia è apprezzabile, perché al contrario di altre proposte viste in passato, come la Supersimmetria, non richiede l’aggiunta di centinaia di nuove particelle mai viste per spiegare i misteri della Fisica. Inoltre la verifica di tale modello sarebbe basata sull’osservazione delle particelle che descriveremo e che sono già investigate da numerosi esperimenti per scopi diversi.

Il nuovo contenuto di particelle proposte è tutto nel nome, SMASH:

S- standard
M- model
A- axion. Si aggiunge un assione, un fermione che descriverebbe la materia oscura
S- see-saw mechanism. Letteralmente “meccanismo ad altalena”, che si riferisce all’introduzione di tre neutrini pesanti
H- higgs particle inflation. Un analogo della particella di Higgs per descrivere l’inflazione che prende il nome di inflatone, nello specifico si introduce un doppietto inflatonico

Da notare che gli ideatori di SMASH non hanno inventato alcuna particella, hanno “semplicemente” riorganizzato elementi già ipotizzati dando al quadro una chiave d’interpretazione plausibile sulla carta, e portando a compimento un lavoro di sintesi facendo convergere sforzi da diversi ambiti, dalla Fisica delle particelle alla cosmologia.

Vediamo in estrema sintesi quali problemi SMASH dovrebbe risolvere:

1. La materia oscura
Stando alle stime più recenti il 26-27 percento dell’Universo è costituito da un tipo di materia non identificato. Siamo in grado di apprezzare la sua forza gravitazionale, ma con gli strumenti non rileviamo né luce né radiazione, quindi nonostante anni di ricerche non riusciamo a spiegare di che cosa sia composta. Però è certo che la sua presenza è fondamentale per la stabilità dell’Universo. Nessuna tra le particelle incluse del Modello Standard è un valido candidato a costituire la materia oscura.

materia-oscura

2. Le oscillazioni dei neutrini
Lo scorso anno il Nobel per la Fisica fu assegnato ai due fisici che scoprirono l’oscillazione dei neutrini. Si tratta di un fenomeno della meccanica quantistica relativistica, secondo cui un neutrino creato con un determinato “sapore” , per esempio tau, può assumere un sapore diverso al passare del tempo, per esempio elettronico. Questo comporta che i neutrini debbano avere una massa: un fatto che sarebbe incompatibile con il Modello Standard nella sua versione minimale.

3. La bariogenesi
È un grave problema irrisolto della Fisica che può essere sintetizzato in modo piuttosto semplice: perché la parte osservabile dell’Universo ha più materia che antimateria? Secondo il Modello Standard, il Big Bang avrebbe prodotto la stessa quantità di materia e di antimateria, e dal momento che si annichilano l’una con l’altra, dovremmo avere un Universo di sole radiazioni. Il fatto che invece esistano moltissime particelle significa che nello scenario proposto dal Modello Standard ci c’è qualcosa di sbagliato. Cosa?

4. Inflazione Cosmica
Si ipotizza che una frazione di secondo dopo il Big Bang l’Universo abbia subito un periodo di espansione accelerata chiamato inflazione. Nessuno dei fisici tuttavia è in grado di capire come abbia potuto l’Universo espandersi a una velocità superiore a quella della luce, passando quasi istantaneamente da un puntino di dimensioni subatomiche a uno grande quanto una pallina da golf. Fra le ipotesi c’è la presenza dell’inflatone, ma non ci sono prove al riguardo.

5. Il problema della CP forte
Descritto come un “grave difetto del modello standard”, il problema della CP forte potrebbe aiutare a spiegare il motivo per il quale vi è più materia che antimateria nell’Universo. Si tratta di una questione molto complessa, ma in estrema sintesi descrive come una rottura nella simmetria fondamentale dell’Universo non si verifichi nella cromodinamica quantistica (QCD), e nessuno è stato finora in grado di capire perché.

La soluzione?
Il modello SMASH si basa a sua volta su un modello (vMSM, neutrino minimal standard model) proposto nel 2005 dal fisico Mikhail Shaposhnikov dello Swiss Federal Institute of Technology di Losanna, secondo cui l’estensione del Modello Standard a tre neutrini con alcune masse precise potrebbe spiegare contemporaneamente la Materia Oscura, la bariogenesi e l’espansione dell’universo, e potrebbe essere coerente con i risultati degli esperimenti sulle oscillazioni dei neutrini.

Secondo il nuovo studio condotto dal fisico Guillermo Ballesteros dell’Università di Paris-Saclay e dai colleghi Javier Redondo, Andreas Ringwald e Carlos Tamarit, aggiungendo oltre a questi tre neutrini anche una particella subatomica chiamata fermione, un assione e un inflatone si potrebbero risolvere i cinque problemi che abbiamo descritto.

Secondo i ricercatori questa ipotesi si potrebbe verificare utilizzando la prossima generazione di acceleratori di particelle, quindi “entro i prossimi 10 anni o giù di lì”: una prospettiva decisamente breve se si paragona ad altre ipotesi che sono circolate in passato.

Nel frattempo non mancheranno le reazioni della comunità scientifica, non appena il contenuto della ricerca verrà pubblicato su una rivista di settore.

Secondo il quotidiano britannico The Times, Stephen Hawking sarebbe vicino al prestigioso premio Nobel grazie anche a Jeff Steinhauer, scienziato del Technion di Haifa, in Israele. Steinhauer afferma infatti di aver creato un buco nero in vitro, una sorta di piccolo modello da laboratorio attraverso il quale assicura di poter provare ciò che Hawking aveva calcolato in teoria: la sottrazione di energia e materia ad opera di particelle/antiparticelle virtuali che si allontanano dal buco nero.

Circa quattro mesi fa, l’annuncio fu fatto su un sito scientifico in attesa della pubblicazione dei dati completi dell’esperimento su una rivista accreditata. Se non salteranno fuori intoppi, questa volta il Nobel a Stephen Hawking – sentenziò il Times – non potrà toglierglielo nessuno.

Lo studio pubblicato sulla rivista Nature mostra la prova più convincente, fino ad ora, di particelle che sono in grado di sfuggire all’enorme campo gravitazionale di un buco nero.

radiazionedihawking

All’Università di Innsbruck tempo fa dimostrarono che è possibile, con la tecnologia attuale, costruire un modello acustico di buco nero, in cui le onde sonore prendono il posto della luce. Il buco nero acustico dovrebbe esplodere in un impulso di fononi (“particelle elementari” sonore), come secondo la teoria di Hawking i buchi neri tradizionali dovrebbero evaporare tramite la radiazione di Hawking.

Jeff Steinhauer e il suo gruppo hanno simulato presso l’istituto israeliano di tecnologia di Haifa un buco nero acustico, con onde sonore al posto di onde di luce. Durante l’esperimento hanno visto che alcune particelle scivolano via dal suo raggio di azione (il cosiddetto ‘orizzonte degli eventi’). Questo modello ha permesso loro di osservare un fenomeno simile a quello di Hawking, che fino a ora non era stato dimostrato empiricamente.

Uno dei sistemi fisici più adatti a creare le condizioni analoghe a quelle di un buco nero con onde acustiche è il condensato di Bose-Einstein. Si tratta di un sistema di atomi o altre particelle caratterizzate ciascuna da un valore intero o nullo di spin, una proprietà quantistica che possiamo immaginare come una rotazione attorno a un proprio asse. Grazie a questa caratteristica, quando questi atomi o particelle sono portati a temperature prossime allo zero assoluto, perdono le loro caratteristiche individuali e per un peculiare effetto della fisica quantistica iniziano a comportarsi come un tutt’uno.

Proprio questo sistema ha permesso ora la prima verifica sperimentale della radiazione di Hawking, ottenuta da Jeff Steinhauer del Technion-Israel Institute of Technology ad, Haifa, in Israele, in uno studio descritto su Nature Physics, che ha sfruttato atomi di rubidio.