The Big Questions è una miniserie che esplora come la tecnologia stia aiutando a indagare alcune delle domande più profonde e stimolanti della nostra esistenza.
Perché l’universo non è noioso? Potrebbe essere. Il numero di particelle subatomiche nell’universo è circa 1080, un 1 seguito da 80 zeri. Se queste particelle fossero sparse in modo casuale, l’universo sarebbe solo una noiosa landa desolata, un vuoto sottile senza struttura molto più grande di un atomo per miliardi di anni luce in qualsiasi direzione. Invece, abbiamo un universo pieno di stelle e pianeti, canyon e cascate, pini e persone. C’è un’esuberante abbondanza in natura. Ma perché tutte queste cose sono qui?
I cosmologi hanno messo insieme una risposta a questa domanda nell’ultimo mezzo secolo, utilizzando una varietà di esperimenti e strumenti di osservazione sempre più complessi.
Ma, come quasi sempre accade nella scienza, questa risposta è incompleta. Ora, con nuovi straordinari esperimenti sulla sensibilità, i fisici sperano di rilevare un evento mai visto prima che potrebbe spiegare uno dei grandi misteri rimasti di questa storia: perché in primo luogo c’era la materia per formare cose complicate. L’interesse del mondo che ci circonda è ancora più intrigante quando si osserva l’universo su scala più ampia. Per un po’ trovi cluster strutturati. Le stelle formano galassie, le galassie formano ammassi di galassie, e questi ammassi formano superammassi, filamenti e pareti attorno a grandi vuoti cosmici quasi privi di materia.
Ma quando si ingrandisce ancora di più, osservando parti dell’universo larghe più di 300 milioni di anni luce, tutta questa struttura scompare. Dopo questo punto, la luce proveniente da tutte le stelle del cosmo si fonde in una sfocatura indistinta, e l’universo appare davvero molto simile in tutte le direzioni, senza caratteristiche o differenze degne di nota. I cosmologi la chiamano la “fine della grandezza”.
Questo noioso paesaggio cosmico esiste perché un tempo l’universo era davvero noioso. Subito dopo il Big Bang, e per centinaia di migliaia di anni a seguire, fu implacabilmente noioso. Tutto ciò che esisteva era una densa nebbia incandescente di particelle, che si estendeva per trilioni e trilioni di chilometri e riempiva quasi uniformemente ogni punto dell’universo, con minuscole differenze nella densità della materia tra un punto e l’altro.
Ma man mano che l’universo si espandeva e si raffreddava, la gravità amplificava queste piccole differenze. Lentamente, nel corso dei successivi milioni e miliardi di anni, i luoghi dell’universo con un po’ più di materiale attrassero ancora più materiale. Ed è da lì che veniamo: la profusione di cose nell’universo di oggi ha finito per emergere man mano che sempre più materiale si accumulava, trasformando quelle regioni leggermente dense in luoghi radicalmente complicati, pieni di materia sufficiente per formare stelle, galassie e noi. Su larga scala, la noia regna ancora, come dall’inizio dei tempi. Ma quaggiù, nella terra, c’è una grande varietà.
Questa storia presenta ancora alcune lacune. In primo luogo, non è chiaro da dove provenga la questione. La fisica delle particelle richiede che tutto ciò che crea materia debba creare anche una uguale quantità di antimateria, mantenendo attentamente l’equilibrio tra i due. Ogni tipo di particella di materia ha un gemello di antimateria che si comporta come la materia in quasi ogni modo. Ma quando una particella di materia entra in contatto con la sua controparte di antimateria, queste si annichilano a vicenda, scomparendo e lasciando dietro di sé solo radiazioni.
Questo è esattamente quello che è successo subito dopo il Big Bang. Materia e antimateria si annichilarono a vicenda, lasciando il nostro universo in fiamme di radiazioni e di una piccola quantità di materia rimanente, che all’inizio aveva leggermente superato la quantità di antimateria. Questa piccola discrepanza ha fatto la differenza tra l’universo che abbiamo oggi e un’eternità di noia, e non sappiamo perché ciò sia accaduto. “In qualche modo, c’era questo piccolo squilibrio e si è trasformato in tutto, vale a dire in noi. Mi preoccupo davvero di noi”, afferma Lindley Winslow, un fisico sperimentale delle particelle al MIT. “Abbiamo molte domande sull’universo e su come si è evoluto. Ma questa è una domanda molto semplice, da scuola materna: perché siamo qui?”
Colto in flagrante Per rispondere a questa domanda, Winslow e altri fisici in tutto il mondo hanno costruito diversi esperimenti per catturare la natura nell’atto di violare l’equilibrio tra materia e antimateria. Si aspettano di vedere questa violazione sotto forma di doppio decadimento beta senza neutrini, un tipo di decadimento radioattivo. Al momento, questo processo è teorico e potrebbe non avvenire affatto. Ma se ciò accadesse, fornirebbe una possibile spiegazione per lo squilibrio tra materia e antimateria nell’universo primordiale.
Questa spiegazione si baserebbe sui neutrini, le strane sfere spettrali della fisica delle particelle. Questi spettri di luce ronzano nell’universo, interagendo a malapena con qualsiasi cosa. Trilioni di neutrini attraversano costantemente ogni centimetro quadrato del nostro corpo e attraverso il pianeta Terra, ignorandolo completamente così come ignorano il nucleo di ferro del nostro pianeta. Per fermare in modo affidabile un solo neutrino occorrerebbe una lastra di piombo spessa un anno luce.
E i neutrini possono compiere un trucco ancora più bizzarro. Il neutrino e il suo partner antimateria potrebbero essere la stessa cosa, rendendolo diverso da tutte le altre forme di materia conosciute e capaci di annichilarsi a vicenda. “Se guardiamo al [doppio decadimento beta senza neutrini], ciò dimostrerebbe che il neutrino è la propria antiparticella”, afferma Winslow. “Ci fornirebbe anche un processo che produce più materia che antimateria”.
Questo processo inizia nel cuore dell’atomo. Quando alcuni nuclei atomici instabili decadono, emettono un elettrone insieme a un antineutrino per controbilanciarsi: una particella di materia e una particella di antimateria. Questo è un tipo molto comune di decadimento radioattivo, noto per ragioni storiche come decadimento beta. Molto meno comune è il decadimento doppio beta, quando un nucleo atomico emette due elettroni contemporaneamente, insieme a due antineutrini per bilanciarli.
Il doppio decadimento beta è “uno dei processi più lunghi che abbiamo mai misurato”, afferma Winslow. Per vedere un singolo atomo subire un doppio decadimento beta, continua, dovremmo normalmente aspettare un miliardo di volte in più rispetto all’età attuale dell’universo. Ma se il neutrino è la propria antiparticella, esiste la possibilità di qualcosa di ancora più raro: un doppio decadimento beta in cui i due neutrini si annichilano immediatamente a vicenda, lasciando solo i due elettroni senza antimateria a controbilanciarli. Questo è il doppio decadimento beta senza neutrini.
Rilevare un processo così raro sarebbe difficile, ma non impossibile, grazie al numero astronomico di atomi presenti negli oggetti di dimensioni ordinarie. Ci sono quasi un trilione di trilioni di atomi in pochi grammi di materiale. “Quindi, se metti insieme un insieme di cose, hai la possibilità di vedere qualcosa che accade su linee temporali anche più lunghe dell’età dell’universo”, afferma Winslow.
Questo è l’approccio adottato dall’Osservatorio criogenico sotterraneo per eventi rari (CUORE), un rilevatore sotto una montagna in Italia che è in attesa di prove di doppio decadimento beta senza neutrini. Un particolare isotopo del tellurio è uno dei nuclei suscettibili al doppio decadimento beta. CUORE osserva questo fenomeno in una serie di 988 cristalli cubici di biossido di tellurio larghi cinque centimetri, ciascuno collegato a un termometro altamente sensibile. L’energia combinata dei due elettroni emessi nel decadimento doppio beta senza neutrini è sempre la stessa, quindi se il decadimento avviene in qualsiasi punto all’interno di uno di questi cristalli, quella specifica quantità di energia verrà depositata nel cristallo sotto forma di calore, aumentandone la temperatura di dieci volte. millesimo di grado Celsius.
Ma un segnale così piccolo è difficile da vedere rispetto a tutte le altre cose che potrebbero cambiare la temperatura di un cristallo. Questo è il motivo per cui CUORE si trova sotto una montagna: gran parte della roccia sopra di essa lo protegge da quasi tutti i raggi cosmici. Ed è anche per questo che CUORE deve essere mantenuto al freddo, a pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto: “vince il premio per il metro cubo più freddo nell’universo conosciuto”, afferma Winslow. I sensori sono così delicati che riescono a captare perfino le vibrazioni delle onde che si infrangono sulla spiaggia a 60 chilometri di distanza.
CUORE non è solo. Ci sono altri esperimenti che cercano il doppio decadimento beta senza neutrini, tra cui KamLAND-Zen, un esperimento – sempre sotto una montagna – in Giappone che utilizza xeno gassoso al posto dei cristalli di tellurio. Ma nessuno degli esperimenti alla ricerca del decadimento lo ha ancora osservato, nonostante anni di attesa. Ci sono piani per aggiornare i sensori di CUORE e aumentare il numero di cristalli utilizzati; Ci sono anche piani per aumentare le dimensioni e la sensibilità di KamLAND-Zen. Ma il futuro di questi esperimenti è incerto.
“In linea di principio, potremmo fare esperimenti più grandi e migliori”, afferma Reina Maruyama, fisica di Yale che fa anche parte della collaborazione CUORE. “Potresti farne 10 di quello che abbiamo. Quindi penso che sia solo una questione di quante risorse l’umanità vuole investire in questo esperimento”. Winslow calcola che una ricerca completa richiederebbe altri due cicli di miglioramenti agli esperimenti esistenti. Se venissero realizzati e finissero nel nulla, dice, “allora avremo virtualmente eliminato la possibilità che il neutrino sia la propria antiparticella”.
Se ciò accadesse, sarebbe la fine di una teoria promettente, ma non la fine della ricerca. I fisici hanno molte altre idee su come la materia e l’antimateria potrebbero essersi sbilanciate. Ma è difficile trovare prove per queste idee. Alcuni potrebbero essere confermati se il Large Hadron Collider, il più grande collisore di particelle del mondo, trovasse qualcosa di inaspettato nei prossimi anni; altre teorie si basano su ricerche sensibili sulla materia oscura, un’ipotetica sostanza invisibile, fortemente suggerita da decenni di prove, che si ritiene costituisca più dell’80% della materia nell’universo.
E alcune teorie chiedono un prezzo elevato per spiegare lo squilibrio: suggeriscono che i protoni, uno dei componenti principali dei nuclei atomici, sono instabili. Queste teorie affermano che il decadimento del protone impiega ancora più tempo del decadimento doppio beta senza neutrini, in media circa un trilione di trilioni di volte più lungo dell’età attuale dell’universo. Super-Kamiokande (noto anche come “Super-K”) in Giappone è il più grande esperimento di osservazione del decadimento del protone, utilizzando una vasca sotterranea di 50.220 tonnellate di acqua ultrapura circondata da 13.031 sensori di luce. Ai margini della conoscenza, Super-K attende un debole lampo nell’oscurità. Deve ancora catturare un protone in azione.
Ma qualunque sia la causa dello squilibrio tra materia e antimateria nell’universo primordiale, c’è una cosa di cui i fisici sono certi: prima o poi lo spettacolo finirà. Nel corso del tempo, tutte le strutture interessanti scompariranno poiché la materia e l’energia dell’universo saranno sparse in modo sempre più casuale. Tra qualche eone, questo porterà ancora una volta a un vuoto completamente informe – e questa volta sarà molto meno denso e molto più uniforme della nebbia primordiale. Questo stato, noto come morte termica, sarà probabilmente il destino finale dell’universo, una miriade di quadrilioni di anni nel futuro.
Quindi siamo fortunati: viviamo in un’epoca in cui l’universo è pieno di complessità e bellezza, anche se non ne comprendiamo appieno il motivo.
(fonte: MIT Technology Review )
