Nei primi istanti immediatamente dopo il Big bang l’universo era un liquido denso, con caratteristiche tipiche dei materiali estremamente caldi o estremamente freddi. È quanto emerge dalle ricerche dell’acceleratore di particelle del Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), presso il Brookhaven National Laboratory di New York, dove si svolgono esperimenti simili a quelli del Cern di Ginevra.
Ilsussidiario.net ha intervistato l’esperto del centro, James Dunlop, secondo cui le scoperte dell’Lhc di Ginevra, annunciate il 22 settembre scorso, confermano le conoscenze teoriche già in possesso della comunità scientifica, ma il fatto di essere riusciti a osservarle dal punto di vista sperimentale è letteralmente «esaltante». E fa nuova luce sui misteri degli inizi dell’universo, che da millenni interrogano l’umanità.
Che cosa è più difficile spiegare per quanto riguarda l’inizio dell’universo?
La materia ad alte temperature e densità dell’universo iniziale può essere molto diversa dalla materia come esiste ora. Ci si aspetta che la materia passi per diverse fasi in cui si raffredda, molto simile al passaggio dal vapore all’acqua e al ghiaccio. Alle temperature testate al RHIC, siamo interessati alla transizione da uno stadio in cui quark e gluoni (cioè le particelle che formano protoni e neutroni, detti anche nucleoni) sono liberi a uno stadio in cui sono legati insieme appunto nei nucleoni.
In che modo le vostre ricerche aiutano a risolvere questi problemi e che cosa avete scoperto?
Alle temperature dei test al RHIC ci aspettavamo di produrre un gas, in gran parte non interattivo, di quark e gluoni liberi. Invece, sembra che abbiamo creato un liquido quasi perfetto, che fluisce con una viscosità estremamente lenta, che dà la misura di quanto il liquido possa scorrere con facilità. L’unico altro materiale noto con una viscosità così bassa è stato prodotto con atomi ultrafreddi con proprietà sintonizzate precisamente, e quindi il materiale più caldo mai prodotto in laboratorio ha molto in comune con quello più freddo. Ciò implica che l’universo iniziale, un microsecondo dopo il big bang, era un liquido quasi perfetto.
Che tipo di particelle state usando per gli esperimenti al Relativistic Heavy Ion Collider?
Acceleriamo nuclei di oro a velocità fino al 99,995% della velocità della luce e li facciamo entrare in collisione frontale, così da creare pezzi di materia a 4 trilioni di gradi centigradi. Questi pezzi di materia ricreano le condizioni dell’universo simili a quelle del microsecondo successivo al big bang.
Che tipo di particelle avete creato nel corso delle vostre ricerche?
In conseguenza della relazione di Einstein E=mc2, una grande parte dell’energia in arrivo è trasformata in migliaia di particelle che fluiscono nel rivelatore. Creiamo adroni (cioè particelle soggette alla forza nucleare forte) normali, come i pioni, kaoni e protoni, insieme alle loro controparti nell’antimateria. Abbiamo creato anche combinazioni più esotiche, come l’antiipertritone che abbiamo scoperto di recente, un nucleo strange di antimateria formato da un antineutrone, un antiprotone e un antilambda (lambda è una particella pesante corrispondente al protone o neutrone, con dentro un quark strange).
Quali sono le differenze tra materia e antimateria e perché la materia ha prevalso sull’antimateria?
Ogni particella di materia ha la sua quasi identica antiparticella. Certe proprietà conservate dalla antiparticella (come la sua carica elettrica) sono di segno opposto a quelle della particella. Per questa ragione, quando una particella e un’antiparticella si incontrano, esse si annientano completamente diventando energia. Non sappiamo precisamente perché la materia abbia prevalso sull’antimateria, ma sappiamo solo che ci sono alcuni lievi squilibri nell’universo che hanno portato a un piccolo eccesso di materia che è rimasta dopo l’annientamento di tutta l’antimateria. In effetti, sappiamo solo che la materia ha prevalso sull’antimateria al livello in cui abbiamo osservato l’universo, in quel momento. Questo non significa che questo sia avvenuto in generale in tutti i momenti, in tutti i punti dell’universo, o anche in tutti i possibili universi.
Che cosa sarebbe successo all’Universo se avesse prevalso l’antimateria?
Non si sa. Finora nessuna misurazione indica che l’universo sarebbe stato diverso, a parte che sarebbero state rovesciate le quantità conservate. Per esempio negli atomi, invece di elettroni con carica negativa che ruotano attorno a nuclei caricati positivamente, avremmo anti elettroni con carica positiva attorno ad antiprotoni con carica negativa. La massa e la chimica degli antiatomi sarebbe identica a quella dei nostri atomi e avremmo ancora stelle, galassie e tutte le caratteristiche del nostro universo.
Tuttavia, secondo una spiegazione della asimmetria materia-antimateria le leggi fisiche che governano la materia sono leggermente diverse da quelle che regolano l’antimateria. In tal caso, l’universo sarebbe del tutto diverso. Al RHIC abbiamo una possibilità di verificare la questione esaminando le proprietà dell’antimateria, come l’antiipertritone già citato.
I risultati del Cern di Ginevra, annunciati il 22 settembre scorso, sono compatibili con quelli del RHIC?
A prima vista questi risultati sono compatibili ed erano prevedibili basandosi sui dati del RHIC. La cosa esaltante è che sono stati osservati. Al RHIC, la “cresta” è un fenomeno visto solo quando si crea un sistema grande abbastanza da essere considerato materia, che poi scorre e esplode nel vuoto circostante. Questo non avviene nella collisione protone-protone, ma comincia a mostrarsi con l’aumento della grandezza dei nuclei in collisione. Vi sono diverse spiegazioni per questo fenomeno: una delle spiegazioni più accettate, che implica una forma estremamente densa di materia conosciuta come "Color Glass Condensate", aveva previsto che l’effetto si sarebbe mostrato nella collisione protone-protone con energia e molteplicità sufficientemente alte.
All’LHC una interpretazione è che con l’energia e molteplicità più elevate il sistema può essere trattato come materia che esplode anche nella collisione protone-protone. Questa osservazione è solo una delle osservazioni effettuate al RHIC e sarà eccitante vedere se tutti i caratteri della materia visti al RHIC nelle collisioni oro-oro sono presenti nelle collisioni protone-protone all’LHC.
Pensate di poter rivelare anche il bosone di Higgs nei vostri laboratori?
Il bosone di Higgs è una particella postulata per spiegare le masse delle particelle fondamentali nel Modello Standard, i quark e i leptoni. Non lo si è ancora visto, ma l’LHC è stato costruito con l’obiettivo principale di osservarlo, se esiste, o di escludere la sua esistenza. RHIC non ha l’energia per osservare il bosone di Higgs, ma la sua più grande meta è di capire la forza che lega insieme protone e neutrone nel cuore di tutta la materia visibile. Questo legame fornisce la maggior parte della massa del protone e del neutrone e quindi circa il 95% della massa dell’universo visibile.
(Pietro Vernizzi)