Universo#8

I cosmologi coi loro calcoli possono mandare indietro la storia del cosmo come una moviola fino a una frazione microscopica di secondo dopo il Big Bang usando le equazioni di Albert Einstein e i cinque parametri (numeri indipendenti che abbiamo visto essere aggiustati ad arte), della costante lambda, della densità di materia ordinaria, della Materia Oscura e di Energia oscura, coniugandole con delle fluttuazioni quantistiche dell’universo iniziale. Questo confermato (WMAP 2003, Plank 2013) modello si chiama lambda-Cold Dark Matter (lambda-CDM) ma il suo limite è che non può andare a ritroso all’infinito in quanto la nascita dell’universo da una singolarità ne sbarra definitivamente la capacità di indagine. Come ebbe a dire Stephen Hawking negli anni ’70: “Mostrammo che qualsiasi modello ragionevole di universo doveva iniziare con una singolarità. Ciò significava che la scienza poteva predire che l’universo doveva aver avuto un inizio, ma che non poteva predire come l’universo doveva cominciare, poiché tale compito era competenza di Dio” (Conferenza di Cambridge, 1987)

L’armonia dal caos

Possiamo però tentare di capire cosa è successo subito dopo l’ “evento X” e così possiamo imbatterci in quel fenomeno che chiamiamo “inflazione“. L’inflazione in cosmologia è un gigantesco “gonfiaggio”dell’universo primordiale, avvenuto a soli  10-35 s dal Big Bang! Forse a causarlo è stato un campo di energia generato da una ipotetica particella chiamata inflatone, una particella simile al Bosone di Higgs, e questo campo sarebbe responsabile anche delle differenze di densità che osserviamo nell’universo. Ma parliamo di aria fritta in quanto non solo conosciamo le protrietà di tale “fantasma” ma non abbiamo alcuna idea neanche di come trovarlo, se esiste veramente. E siccome non capiamo neanche da dove venga la sconfinata quantità di energia necessaria al processo, si ritorna al mistero dell’istante X. Ed è un mistero anche la stessa fine dell’inflazione, la cosiddetta “Grateful Exit“:  “se c’è un campo di energia che mette in moto un universo in espansione esponenziale, che cosa può spegnere improvvisamente il campo?” (Niayesh Afshordi e coll., Il buco nero al principio del tempo, Le Scienze, 12/2014) E non abbiamo chiaro neanche come si sono originati i 5 parametri del modello lambda-CDM. Inutile girarci intorno, per usare un’espressione bersaniana, abbiamo una vacca nel corridoio e consiste nel fatto che non abbiamo alcuna idea di cosa sia il Big Bang: “l’emergere improvviso e violento di tutto lo spazio, il tempo e la materia da un punto infinitamente denso detto singolarità. Una singolarità è una cosa incomprensibilmente bizzarra, un punto in cui lo spazio il tempo si ripiegano su se stessi rendendo impossibile distinguere il futuro dal passato. Tutte le leggi della fisica vengono meno. Una singolarità è un universo senza ordine né regole. Da una singolarità non può venire fuori nulla che non violi la logica” Ma allora chi ci dice che da tale caos possa derivare un universo così ordinato? La materia stessa che a sua volta è stata creata dall’energia? E cosa diavolo è questa “energia”? Da dove salta fuori?

Potremmo, certo studiare le singolarità che ci sono più familiari, cioè i buchi neri. Questi sono i rimasugli di stelle  con una massa dalle 15 alle 20 volte più grande di quella solare che, dopo la fase esplosiva di  “Supernova” si “spengono” collassando in una struttura densa e liscia, con una capacità attrattiva tanto forte che neanche la radiazione elettromagnetica riesce ad uscire. Anche dentro questo “coso” le leggi fisiche vengono sospese,  ma a differenza del Big Bang il buco nero è circondato da un “orizzonte degli eventi”, un guscio opaco bidimensionale che esclude il nucleo dal resto dell’universo e qualsiasi cosa vi cada dentro perde anche la propria informazione strutturale. Al contrario la singolarità del Big Bang non solo non è ricoperta da questo guscio ma è anzi qualcosa di “aperto” verso l’esterno e capace di creare ordine, energia e materia.  E non capiamo come possa succedere. Probabilmente non lo sapremo mai, come non potremo mai comprendere il perché delle leggi ultime della natura”. (Steven Weinberg, fisico ateo, “Science” 230, 1985)

Non dovrebbe esistere

Infine vi è il problema dell’antimateria. Un esperimento dell’anno scorso ha infatti complicato di non poco il già confuso quadro del modello “lambda-CDM”. Secondo la visione corrente è la materia costituita dalla antiparticelle, antiatomi ed antimolecole. Se materia ed antimateria s’incontrano si annichiliscono producendo raggi gamma oppure altre coppie di particelle materia-antimateria. Fu Paul Dirac a predire nel 1928 l’esistenza del il primo antielettrone (positrone) e da quel momento sono state scoperte e prodotte molte antiparticelle ed antiatomi. Ma come mai l’universo è fatto in pratica di materia normale enormemente preponderante? La teoria prevede che al momento della nascita del cosmo si sarebbero dovute produrre materia ed antimateria in quantità eguali. Ma per avere un universo di materia dobbiamo assumere che le caratteristiche reciproche fossero tali da favorire la materia, altrimenti ci saremmo persi l’universo in una gigantesca annichilazione(Difference in direct charge-parity violation between charged and neutral B meson decays,Nature 452, 332-335). Tornando all’esperimento del CERN, esso ha dimostrato che invece materia ed antimateria sono perfettamente uguali. E allora perchè esiste l’universo? “Deve esserci una sproporzione da qualche parte, semplicemente non capiamo dove” ha detto l’autore dello studio Christian Smorra (L’universo non dovrebbe esistere…“l’Huffingtonpost, 25/10/2017).

Il mistero di Higgs

Il Nobel per la fisica Peter Higgs

Ma anche dopo la nascita del cosmo le cose continuano ad essere strane. Le molecole del mondo sensibile sono costituite da atomi, gli atomi da particelle più piccole, i quark ed i leptoni che, a loro volta acquisiscono massa interagendo con una invisibile campo di forza. Tale campo sarebbe nato solo dopo 10-11 secondi dall’inizio di tutto e quindi prima di tale piccolissimo tempo esisteva nell’universo solo energia, nessuma massa. Le particelle sarebbero come palline di diversa dimensione e velocità che attraversano una densa “melassa” (il campo di Higgs) che le rallenta e le rende appiccicose. Ecco spiegata la massa. Talora la melassa si addensa per un istante molto piccolo in piccoli “grumi”, i famosi bosoni di Higgs, ed ecco che in questo stato, la melassa è individuabile sperimentalmente. Ma anche il meccanismo di trasmissione della massa nasconde un immenso mistero.

Già negli anni ’70 le equazioni del modello standard che abbiamo appena descritto per sommi capi prevedevano, perchè tutto funzionasse, l’esistenza appuntodi  una particella (da intendersi come campo) “donatrice di massa” coincidente nella “melassa cosmica” di cui sopra. Si può dire semplificando che l’acceleratore del CERN sia stato costruito proprio per verificare la giustezza della teoria. Ma fino al 2012, anno in cui vennero faggiunte le energie necessarie affinchè l’esperimento ATLAS dicesse l’ultima parola sul dubbio, i fisici non poterono rimanere inoperosi. Dovevano infatti risolvere un problema di contabilità. Il bosone di Higgs risultava dai calcoli con una massa di appena 126 GeV(giga-elettron-volt), ma le interazioni con tutte le altre particelle conosciute avrebbero dovuto aggiungere e sottargli masse anche di 1019GeV (10.000.000.000.000.000.000 giga-elettron-volt). Ciò implica che la “massa nuda” di Higgs, o valore di partenza prima che altre particelle lo influenzino, è un numero astronomicamente piccolo, apparentemente frutto di cancellazioni inspiegabili. Confusi, vero? 

Immaginiamo per analogia che il governo USA decida di fare una legge finanziaria per bilanciare le entrate e le uscite del paese.  È facile immaginare che questa legge finanziaria riguardi enormi quantità di denaro, diciamo migliaia di milioni di dollari. Alla fine dell’anno, facendo i conti,  sarebbe lecito aspettarci che un relativamente grosso disavanzo “naturale”, cioè probabilisticamente accettabile, in quanto i fattori che entrano in gioco sono enormemente numerosi. Diciamo che un disavanzo di 10 o 20 o 100 milioni di dollari in un paese con un’economia così sviluppata non darebbero per nulla nell’occhio. Ma che cosa direste se alla fine dell’anno chi fa i conti si accorgesse che il bilancio dello Stato è stato calcolato al Penny? E’ semplicemente innaturale nei sistemi complessi un bilanciamento in cui rimane un Penny. La massa di Higg è di tale entità.

Quale poteva essere la logica alla base di un tale fenomeno? Molti pensarono a SUSY, la teoria della “Supersimmetria”, la panacea per tutti problemi della fisica.