Una nuova particella, tanto attesa, è entrata nel microcosmo della materia. A ipotizzarla era stato un grande italiano, scomparso nel nulla: Ettore Majorana. Non c’è stato bisogno di acceleratori di particelle, ma solo di piombo e di ferro… Nel frattempo, gli acceleratori di particelle sono riusciti a riprodurre la prima forma di materia dopo l’inflazione, una zuppa caldissima di quark e gluoni. Non c’è male direi!

Sì, sì, avete ragione. Sarebbe ora di parlare di Modello Standard, malgrado i gravitoni facciano ancora di tutto per rimanere ben nascosti (sempre che esistano). Tuttavia, dovete avere ancora un po’ di pazienza. In questo momento, tra archivio, spettroscopia e modelli atomici il tempo vola via alla velocità della luce (si fa per dire…). Bosoni, mesoni, pioni, fermioni, gluoni, leptoni, quark e chi più ne ha più ne metta sono le particelle che dominavano l’Universo primitivo e che oggi si riescono a ottenere in laboratorio, per pochi attimi, solo attraverso gli acceleratori come quello del CERN.

Ogni tanto ne compare qualcuna nuova e arrivano anche i Nobel. Per non parlare, poi, di colori, sapori, spin, simmetrie e supersimmetrie. Insomma, quei tipici argomenti che stimolano un po’ tutti e portano, a volte, a disquisizioni su stringhe e multiversi senza magari avere un’idea veramente di base sui mattoni fondamentali del Cosmo.

Vi prometto che sarà il mio prossimo compito, anche se rendere semplice, scorrevole e graficamente visibile questo insieme spaventoso di corpuscoli molto aleatori e ambigui, e le loro interazioni e caratteristiche, non è cosa facile… Tuttavia, non potevo non citare due nuove ricerche estremamente importanti che aiuteranno non poco a inquadrare l’intero problema.

Una si riferisce a uno dei più grandi geni della fisica, scomparso giovanissimo in modo misterioso (Majorana) e l’altra alla “riproduzione” dello stato dell’Universo subito dopo l’inflazione, quando la materia primitiva aveva fatto la sua comparsa sotto forma di un fluido perfetto e ancora caldissimo (malgrado l’espansione rapidissima subita dallo Spazio). Cercherò di rendere gli argomenti comprensibili anche senza inquadrarli in un contesto generale, che necessita di ben più che un solo articolo.

Solo poche parole per non partire proprio da zero o quasi… Il Modello Standard è un modello teorico di riferimento che descrive tutte le particelle elementari conosciute e i relativi legami con tre delle quattro interazioni fondamentali (la gravità è ovviamente esclusa). Ciò che ha cercato di fare è di unificare tante singole teorie che funzionavano solo per particolari fenomeni fisici. A parte la gravità (che non vuole proprio saperne di inserirsi in questo modello), il risultato è stato più che soddisfacente.  Tanto per fare alcuni esempi: i fenomeni elettrici e magnetici della teoria elettromagnetica di Maxwell sono stati inglobati e descritti, insieme alla relatività ristretta, nella più generale teoria quantistica di campo (la ormai “celebre” QED).  Penetrando all’interno del nucleo atomico si sono formulate le teorie relative alla forza nucleare debole (relativa al decadimento radioattivo) e a quella forte (la “colla” delle particelle nucleari). Una specie di QED allargata, che ha preso il nome di QCD, ossia Cromodinamica Quantistica. Praticamente tutte le teorie che costituiscono la struttura del Modello Standard sono state confermate  negli esperimenti di laboratorio  attraverso l’accelerazione e lo scontro di particelle subatomiche (quello che si fa al CERN, insomma).

Stabile ed elusiva come Fantomas

Le particelle elementari sono molte, ognuna con le sue caratteristiche e quasi tutte concorrono a formare o a fare da messaggere a quelle che costituiscono il nucleo atomico. Ogni tanto se ne scopre qualcuna nuova (di posto ce n’è ancora…). Non esisteva solo il bosone di Higgs ancora da scoprire, ma anche la più subdola particella di Majorana, un qualcosa che potrebbe spiegare molte cose sulla relazione materia e antimateria (NEWS del 24/10/2017 - Tutto è pronto per dare ragione a Majorana), nonché addirittura sulla materia oscura. Al di là del valore scientifico teorico, essa avrebbe delle ricadute sulla tecnologia più avanzata dei computer quantistici. Auspicavo, allora, il ritorno in vita del grande Ettore. Ciò non è possibile, ma qualcuno sembra essere riuscito a trovare la sua “figliola”. Alla Princeton University è stata identificata una particella che si comporta sia da materia che da antimateria. Proprio le caratteristiche fondamentali della “majorana”.

La strumentazione che è servita per metterla in evidenza ha dello straordinario dato che si è dovuto mettere in fila, per uno e/o per tre, atomi  di ferro e renderli superconduttori. La giusta situazione per sperare di evidenziare il tanto atteso fermione.

Tentiamo di descrivere un po’ meglio l’utilità di questa strana particella. Nei computer quantistici l’elettrone non si comporta solo come zero o uno (troppo semplice e banale), ma deve anche essere capace di coesistere in uno stato sovrapposto, che sia uno ma anche zero contemporaneamente. Ormai sappiamo benissimo che ciò può capitare, ma l’importante è utilizzare praticamente questa peculiarità della meccanica quantistica e delle particelle che le obbediscono. Il problema più grande è non fare collassare questa ambiguo stato a causa delle interazioni con la materia che lo circonda o che lo contiene. E’ una specie di gattino di Scrodinger che debba rimanere sempre nascosto alla vista, anche se volenteroso di collaborare.

Il fermione di Majorana ha già di per sé una caratteristica eccezionale: non può annichilirsi con un anti fermione dato che lo è lui stesso. Ne deriva che è una particella straordinariamente stabile oltre che neutra, tanto da non risentire quasi niente dei disturbi circostanti. Se il fermione fosse usato per contenere “informazioni”, queste ultime sarebbero in mani oltremodo sicure. Altro che gli elettroni sempre pronti a collassare o ad annichilirsi…

La scoperta del fermione è, oltretutto, estremamente più facile del bosone di Higgs e di altre particelle molto elusive. Non vi è infatti bisogno di far collidere “qualcosa” a velocità altissime e studiarne i risultati per frazioni di secondo. Il fermione di Majorana è contenuto nella materia normale, e si può “tranquillamente”  cercare al suo interno, soprattutto ai bordi di strutture costruite “ad hoc”, dove può essere “catturato”. Basta lavorare sapientemente sugli atomi del materiale e sulle forze che li governano. In modo quasi magico, preparando tutte le condizioni al contorno e controllando perfettamente le interazioni, la particella di Majorana è apparsa perfettamente “pulita” e separata da altre fastidiose particelle che creano solo confusione, come capita negli impatti del CERN e laboratori affini. Insomma, la nostra “majorana” potrebbe essere spostata e manipolata con grande accuratezza e senza correre rischi di contaminazione. L’ideale per la costruzione della nuova generazione di computer.

Tuttavia, come già accennato, il nuovo fermione non è solo un grande operaio, ma potrebbe anche essere un fisico eccezionale. Lo stesso neutrino, ben noto per la sua peculiarità d’interagire ben poco con la material (l’attraversa senza problemi) ha tutte le caratteristiche per essere un tipo di fermione alla Majorana. E perché non pensare che la materia oscura, sempre che esista, non sia proprio composta da loro?. Le caratteristiche vanno proprio a fagiolo dato che le rendono del tutto insensibili a ciò che le circonda.

Qualcuno chiederà: “Ma se è stato così facile metterla in evidenza e identificarla, perché ci sono volute così tanti anni?”. La risposta è semplice. Sole nel 2001 si è ipotizzato che, sotto certe condizioni, il fermione di Majorana sia capace di mostrarsi ai bordi di un sottile nastro superconduttore. Ricordiamo che la superconduttività si ottiene quando un materiale può trasportare elettricità senza alcuna resistenza. Attraverso varie fasi e miglioramenti successivi si è arrivati a costruire un filamento in cui si combina superconduttività e magnetismo. Basta poi usare un microscopio ultra specializzato (alto come un palazzo) che sfrutta addirittura l’effetto tunnel. L’esperimento che ha avuto successo parte da un cristallo di piombo ultrapuro, i cui atomi sono disposti una fila sì e una no. In tale modo si creano piccoli avvallamenti superficiali alternati. I ricercatori hanno inserito un atomo di ferro puro in ogni avvallamento in modo da formare un filamento di ferro che è largo quanto uno e spesso quanto tre atomi.

Il filo è stato inserito sotto il microscopio a tunnel e si è raffreddato tutto a -272 K (praticamente allo zero assoluto per ottenere la superconduttività). Dopo anni di prove e controprove si era, infatti, stabilito che le condizioni erano proprio quelle giuste per permettere la formazione di un fermione di Majorana al suo interno. Non restava che provare e riprovare…

Finalmente, recentemente, è stato avvertito il tanto atteso segnale elettricamente neutro agli estremi del filo superconduttore. Non solo, però, si è anche riusciti  a visualizzare direttamente come il segnale cambiasse all’interno del filo, in modo da riuscire a descrivere la probabilità quantistica (siamo sempre lì, ovviamente) di poterlo trovare in qualche altro punto del filo. La conclusione della fantastica ricerca è stata che il fermione riesce a dimostrasi per quello che è solo quando appare ai bordi del filo superconduttore. Se è all’interno, lo stesso segnale potrebbe dipendere da molte altre cause. La faccenda più straordinaria è, però, che per ripetere l’esperimento (e soprattutto creare con grande probabilità il fermione) non è necessario niente di veramente speciale (si fa per dire): basta un po’ di piombo e di ferro!  Ma le cose potrebbero anche essere più semplici. Se si usasse un qualsiasi materiale estremamente “magnetico” (come il ferro, ma non solo) in cui gli elettroni siano polarizzati magneticamente (ma basta anche che “sentano” un forte campo magnetico), le probabilità di vedere apparire un fermione di Majorana aumentano in modo esponenziale. Sbaglierò, ma sento odore di Nobel…

Un video sulla costruzione del filamento di ferro QUI

Articolo originale QUI

 

La zuppa l’è cotta!

Torniamo, invece, a quella macchine mostruose che riescono ad accelerare particelle fino a velocità vicine a quella della luce per divertirsi poi a farle scontare e ad analizzare velocemente i “pezzi” che ne derivano prima che spariscano. L’importante, in questi esperimenti, è riuscire a ottenere le condizioni che avrebbero dovuto esserci poche frazioni di secondo dopo il Big Bang e quindi capire con che particelle si ha a che fare. Un po’ alla volta, aumentando l’energia d’impatto si riesce a fare un passetto indietro. Questa volta hanno lavorato insieme due laboratori. Lo scopo era di simulare lo stato della materia subito dopo la tanto celebre inflazione.

Un momento in cui l’Universo ha subito un fondamentale cambiamento di fase dando luogo a una vera e proprio zuppa super fluida composta di quark e gluoni. I primi sono i mattoncini dei mattoni dell’atomo (ossia i costituenti dei protoni e neutroni), i secondi i messaggeri della forza nucleare forte, esattamente come i fotoni lo sono per gli elettroni. Il problema è che di quark ce ne sono di vario tipo e quindi anche di gluoni. Oltretutto queste particelle fanno da collante ai quark, partecipando attivamente alla interazione forte. Insomma, la QED si complica non poco per diventare QCD. Per dirla in parole semplici, dopo l’inflazione si ha una zuppa caldissima (e quindi è difficile tenere unite le “cose”) in cui sono mischiate sia le particelle che i loro messaggeri che fanno da collante attraverso l’interazione forte (come i fotoni fanno da collante e messaggeri per l’elettromagnetismo). Così come gli elettroni stanno a lungo a girovagare intorno ai nuclei atomici prima di accasarsi, anche i quark e gluoni hanno speso del tempo prima di costruire i nuclei atomici.

Capite, quindi, quanto sia importante simulare le condizioni della materia poco prima che la forza nucleare riesca a sistemare le cose e a formare i nuclei atomici. Siamo nel momento in cui la forza nucleare forte abbandona al suo destino la forza elettrodebole che in seguito si separerà ancora in forza elettromagnetica e forza nucleare debole.

Stiamo vivendo uno di quei cambiamenti di fase così importanti per mutare le caratteristiche e le regole della materia (vi ricordate l’articolo sull’inflazione?).  La materia in questo stato è una vera e propria zuppa perfettamente fluida (nessun grumo… è stata “passata” proprio bene!), ossia ha il più basso rapporto viscosità/densità accettato dalla meccanica quantistica. Sapete quanto lei sia sempre pronta a non permettere che si riescano a determinare bene due cose diverse… Insomma, il movimento tra le particelle avviene senza alcuna frizione.

Come è stata creata questa bella minestra  di gluoni e quark? Beh… c’è voluto un frullatore fantastico, il Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC) di New York accompagnato dal Large Hadron Collider (LHC) del CERN.  Non voglio considerarvi sprovveduti, ma è comunque bene ricordare che ciò che questi apparecchi fanno non è altro che accelerare protoni e neutroni ad altissime velocità e poi farli scontrare assieme. Dato che i protoni e i neutroni sono composti da quark tenuti incollati assieme dai gluoni, l’urto distrugge le particelle più grandi e permette di separare le particelle più piccole e riprodurre (all’inverso) ciò che è successo subito dopo l’inflazione.

A quei tempi, le particelle della zuppa, libere di muoversi, hanno deciso di costruire protoni e neutroni che, in seguito, sempre per la stessa forza forte, si sono uniti a formare i nuclei atomici elementari (idrogeno ed elio e un po’ litio). Nei laboratori si fa il contrario: si parte dai protoni e neutroni e si arriva ai loro componenti (dato che siamo nel microcosmo, tutti i fenomeni sono reversibili…). Il parametro fondamentale per ottenere questa situazione è di arrivare alla giusta temperatura di “cottura”, circa un milione di volte la temperatura all’interno del Sole e anche qualcosa in più. Immaginatevi, quindi, la temperatura che vi era prima dell’inflazione, processo che ha portato veramente una ventata d’aria fresca nel Cosmo.

Non possiamo sperare, però, che la zuppa creata in laboratorio duri a lungo. La temperatura scende velocemente e tutto si ricombina. Bisogna essere ultra rapidi a registrare ciò che accade nella camera di “scontro”. Nel caso in oggetto si è fatto ricorso a un trucco molto speciale di cui si sapeva già l’esistenza. Quando si genera la zuppa di quark e gluoni, si crea spesso un vero e proprio getto di particelle ultra energetiche (migliaia di volte superiore a quelle dei fratelli e sorelle) che attraversa il plasma caldissimo e rilascia energia. I ricercatori, però, sanno misurare l’energia di questi getti  al momento della nascita, così come quella finale. Ciò vuol dire saper calcolare l’energia persa per strada che è direttamente associata all’energia posseduta dal plasma di sfondo. In particolare è possibile stabilire la densità del fluido e la forza delle sue interazioni con il getto ultra energetico.

E’ come se si facesse passare un raggio X attraverso il corpo di una persona, in modo da vedere cosa vi è all’interno. La difficoltà maggiore nell’usare questo getto come “sonda” sta nel fatto che il plasma di quark e gluoni non sta tranquillo come il corpo umano, ma si espande rapidamente come una sfera di fuoco. Il tempo è limitatissimo, dato che la sfera di fuoco si espande e si raffredda ritornando alla materia normale. E’ necessario, perciò, descrivere attraverso un modello molto preciso come il plasma si espande. Questo tipo di approccio teorico prende il nome di idrodinamica relativistica  ed è descritta dalle equazioni di Einstein relative al moto dei fluidi.

Provato il modello e applicato agli esperimenti, è stato, quindi, possibile capire come il getto si sia propagato in un plasma in espansione. Insomma, una radiografia eseguita su qualcuno che continua ad agitarsi (ma , fortunatamente, secondo una regola descrivibile dalla relatività speciale).

Nuovi esperimenti sono necessari per stabilire quanto questo plasma sia sensibile a variazioni di temperatura, proprio in quel confine fondamentale in cui è avvenuta la trasformazione di fase da materia esotica a materia ordinaria.

Mamma mia, ragazzi… quante particelle si agitano dentro di noi… Non sentite anche voi uno strano prurito che si propaga per tutto il corpo?

Bene, prendete queste notizie in modo molto superficiale. Cominciamo, comunque ad aprire la porta di quello scrigno misterioso che è  la materia! La QED ci ha portato solo ai bordi dell’atomo. Non ci resta che penetrare al suo interno con regole analoghe.  L'assurda logica della MQ ci farà da guida (poveri noi!).

Vi pregerei di non chiedere eccessivi approfondimenti, dato che è già difficile descriverli con articoli completamente dedicati al Modello Standard. Figuriamoci nelle poche righe di un commento…

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