La particella Xi.

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(nell’immagine  il simbolo attribuito a Xi)

Importante scoperta al Cern di Ginevra dove è stata individuata la particella Xi inseguita da decenni.
L’esistenza di questa particella della famiglia dei barioni era infatti attesa dalle teorie attuali.

La particella appartiene alla famiglia dei barioni, la stessa di cui fanno parte protoni e neutroni che costituiscono la materia visibile, e come tutti i barioni è composta da tre quark.

I quark scoperti sono ben sei: up (u), down (d) charm (c), strange (s), top (t), bottom (b), tutti con masse molto diverse fra loro. Il protone ha la combinazione: u + u + d; il neutrone invece la combinazione complementare: u + d + d.
I sei tipi di quark  in teoria si possono combinare in molti modi diversi per formare altri tipi di barioni.

La particella “generica” Xi appena scoperta può avere molte combinazioni di quark. Quella appena trovata è appunto composta da due quark charm c + c più un quark più leggero (u) ed ha una massa di circa 3621 MeV/c^2, quasi quattro volte quella del protone. È la prima volta che una particella di questo tipo viene individuata in modo non ambiguo.

Se non siete addentro alla materia vi state domandando dove sta la scoperta.
Nei barioni finora noti si trova al massimo un solo quark pesante, mentre la particella Xi ha due quark pesanti (due quark charm e un quark up). E i quark pesanti decadono velocemente.

L’aspetto sorprendente della scoperta è che i due quark pesanti al suo interno come stelle orbitano l’una attorno all’altra e il quark più leggero attorno al ”sistema binario”.

Trovare un barione con due quark pesanti è di grande interesse perché può fornire uno strumento unico per approfondire la cromodinamica quantistica, la teoria che descrive l’interazione forte, una delle quattro forze fondamentali ed aiutare a studiare la “colla” che unisce la materia.

(fonte: MediaInaf)

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I misteri dei muoni: parte seconda

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Da tutto lo spazio arrivano verso la terra i raggi cosmici che, appena entrano negli strati superiori dell’atmosfera, producono moltissimi muoni.
I muoni sono delle particelle instabili che “vivono” circa 2,2 microsecondi (10-6). Cioè dopo circa 2,2μs decadono, in genere in un elettrone e in una coppia di neutrini.
Il “circa” 2,2μs sta ad indicare che il fenomeno del decadimento è un fenomeno statistico, qualcuno decade in più tempo, qualcuno in meno, ma “in media” dopo un tempo t°=2,2 μs, chiamato vita media, la metà di essi è decaduta, non c’è più.

Ed ecco il problema: questi muoni sono velocissimi, la loro velocità è quasi uguale a quella della luce, è il 99,92% di quella della luce, cioè v ≅c .
Con questo dato possiamo calcolare quanto viaggiano nell’atmosfera prima di disintegrarsi. E’ facile, basta calcolarla con la formuletta s=vt.

s=3×108 m/s x 2,2×10-6s ≅ 660 m

Prima di decadere i muoni percorrono circa una distanza s=660 m . Ma sulla terra ne arrivano più della metà! E l’atmosfera ha uno spessore di circa 15 km, cioè 15’000 metri. Come fanno quindi ad arrivare sulla Terra attraversando 15’000 metri di atmosfera, se “muoiono” dopo 660 metri? Eccolo il problema! E non abbiate paura: tutti i calcoli fatti sono giusti

Da quando avete cominciato a leggere questo articolo il vostro corpo è stato attraversato da circa 5000 muoni, mentre secondo le teorie della fisica classica, cioè secondo il calcolo che abbiamo appena fatto, questo non sarebbe dovuto succedere.

Quindi? – mi domanda il mio amico cane.
Quindi – rispondo – il fatto sta nel fatto che la formuletta che abbiamo usato non va bene perchè abbiamo usato i concetti della fisica classica, che in molti casi, quando gli oggetti sono molto veloci, non funziona. Per risolvere questo problema bisogna ricorrere alla relatività. Sempre lei quando si tratta di particelle che viaggiano a velocità quasi pari a quella della luce.

A questo punto, mio caro amico a quattro zampe, devi apprestare un po’ di attenzione.
Il “tempo”, cioè la durata di un evento, non è una grandezza assoluta ed immutabile, come pensavano Newton, Galileo e tutti i fisici fino al 1905 nella meccanica classica. Nella Relatività le cose si complicano.
E’ un po’ difficile capirlo, ma lo scorrere del tempo varia se misurato da un osservatore che viaggia con l’oggetto, ovvero se l’osservatore è lo stesso muone o se l’osservatore che misura lo stesso evento è a terra. I fisici dicono che dipende dal sistema di riferimento. Si parla di relatività del tempo.
Tutto questo è valido solo se queste velocità sono molto ma molto alte, diciamo vicine alla velocità della luce (300’000 km/s). Se gli oggetti sono più lenti non ce ne accorgiamo.

Ok, fatto questo breve ripasso, andiamo avanti. Ritorniamo ai nostri muoni mentre si apprestano ad attraversare l’atmosfera.
Secondo la fisica “classica” questi muoni sulla Terra non ci dovrebbero arrivare proprio, ma in realtà ci arrivano. Non è una impressione! E’ un fatto. Perché?

raggicosmici

Relatività del tempo.
Quando il muone sta (quasi) fermo misuro una vita media di 2,2 µs. Ed anche lui (il muone) misura questa durata. Se avesse al polso un orologio fatto partire alla sua nascita, in media decadrebbe (morirebbe) quando l’orologio segna 2,2 µs.
Ma se questo muone va molto veloce, per esempio rispetto alla Terra, per me che sto sulla Terra, il tempo di decadimento “nel mio sistema”, quindi sulla Terra, è più grande, c’è una dilatazione del tempo.
Spiego.

Per un muone che viaggia ad una velocità v=0.9992c dal fattore di Lorenz ricaviamo.

fattore di Lorenz muoni

Ovvero per il muone atmosferico il tempo si dilata di circa 25 volte.
Cosa significa?
t=t° *25= 2,2*25=55 µs
significa che per me che sto sulla Terra la vita media del muone si è allungata a 55µs.

E’ facile calcolare lo spazio percorso dal muone in questo tempo.
s= v t = 3*108*55 10-16 ≅ 16km

Ecco perché molti dei muoni (circa il 40%) arrivano sulla Terra.

Il tempo, cioè la durata di un evento, è relativo al sistema in cui avviene l’evento, che lo si osservi o no.

Relatività dello spazio.
Ora mettiamoci nei panni del muone, cioè di un osservatore che stia a cavallo del muone.
Il muone, nel suo sistema, sta fermo, quindi vive 2,2 µs; come fa a giustificare il fatto che riesce ad arrivare sulla Terra?
La Relatività ci dice che una certa lunghezza L, misurata in un sistema in cui L sta ferma (per esempio lo spessore dell’atmosfera), si accorcia se la guardo da un sistema in movimento rispetto ad essa.

A questo punto ho il sospetto che il mio cane ha una gran confusione in testa. E non ha tutti i torti.
Quindi spiego meglio, anche se devo far ricorso alle formule, che comunque sono di facile comprensione.
Consideriamo L=Δx lo spazio misurato tra due punti dall’osservatore a terra nel tempo Δt.
Sia L’=Δx’ lo spazio misurato da un osservatore a cavallo del muone nel tempo Δt’.

Δx=vΔt
Δx’=vΔt’
Dove Δt=ƴΔt’

Si ricava:
Δx’=Δx/ƴ

dove ƴ=25
Per il muone l’atmosfera si è ridotta dello stesso fattore ƴ=25.
Quindi se l’atmosfera ha lunghezza Δx=15Km il muone vede lo spazio avanti a sé di

L=15000/25=600 metri.

Ecco perché, non tutti, ma una buna parte dei muoni riesce ad attraversare l’atmosfera.

Quindi per tirare le somme: dalla Terra si vede un muone con la vita più lunga, dal muone si vede l’atmosfera più corta.

Conclusione
Punto di vista della Terra
Il muone ha una vita media di 2,2 µs. Rispetto alla Terra si muove a velocità c. La sua vita media si dilata di 25 volte, diventa 55 µs e può quindi percorrere circa 16 km e molti muoni arrivano sulla Terra.
Punto di vista del muone
Il muone ha una vita media di 2,2 µs, è in movimento rispetto alla Terra e all’atmosfera, che vede “accorciata” di un fattore 25, quindi la vede spessa circa 600 m e in media molti muoni riescono ad attraversarla e ad arrivare sulla Terra

Lo so che la cosa è dura da accettare, ma le cose stanno così.

Il mio cane che è rimasto in silenzio finora, mi guarda e mi domanda: se i muoni ci arrivano addosso ad una velocità quasi uguale a quella della luce, come si fa a dire che da fermo decadoni in media in 2.2 µs?

Non mi chiedere troppo caro amico.

(bibliografia: Carlo Cosmelli, Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma)

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I misteri dei muoni.

muone1

Vabbè – mi dice il mio cane – prima di dirmi quali sono i misteri dei muoni, spiegami cosa sono i muoni.
Hai ragione – rispondo.

Fu nel 1936 quando Anderson e Neddermeyer scoprirono una nuova particella di massa intermedia tra l’elettrone e il protone.
Inizialmente era stata ipotizzata la possibilità che il muone fosse uno stato eccitato dell’elettrone, il che significa che è instabile ed entro breve tempo deve trasformarsi o decadere.
Attualmente il muone fa parte delle particelle di seconda generazione. Nel modello standard è considerato un leptone, le particelle “leggere” come gli elettroni.

Massa, decadimento e velocità
In realtà la massa a riposo dei muoni è di 105,6 MeV/c2, circa 207 volte la massa dell’elettrone, e come l’elettrone ha carica negativa e spin 1/2. Per questa ragione viene anche pensato come un elettrone pesante.
Due sono le caratteristiche notevoli del muone: la sua velocità di decadimento e la sua velocità che è molto prossima a quella della luce.
Per quanto riguarda il decadimento, è stato misurato accuratamente che corrisponde a circa 2.10-6 secondi (circa 2 nano secondi, 2 milionesimi di secondo). In questi pochi istanti di vita il muone si trasforma in un elettrone ed un neutrino muonico anche se questo tipo di decadimento non è stato mai osservato e per questo il muone è considerata una particella a sé. Il decadimento tipico è la trasformazione e +υe+υµ ovvero un elettrone e due neutrini.

A questo punto il mio cane mi interrompe per chiedermi di non dilungarmi troppo nella spiegazione ma di chiarire da dove provengono e spiegare subito i suoi misteri.
Devo dire che il mio cane ha ragione, perché  un lettore occasionale potrebbe annoiarsi.

il mistero dei muoni

Raggi cosmici e muoni.
I muoni sono una evidente causa di particelle più pesanti provenienti dallo spazio, sono le uniche che raggiungono il terreno (quindi rilevabili) e sono importanti anche per la relazione che hanno con i neutrini.
Le particelle che arrivano dallo spazio non sono altro che particelle subatomiche, ovvero frammenti di atomi (principalmente protoni e nuclei leggeri) – storicamente chiamati raggi cosmici – che provengono da vari corpi celesti: pulsar, stella di neutroni, magnetar (resti di supernove), buchi neri, quasar, active galaxy nuclei.

Primo mistero dei muoni.
I raggi cosmici accelerati dalle sorgenti nello spazio si propagano a velocità relativistiche e perciò posseggono energie enormi.
Quello che avviene a terra è una pioggia ad intermittenza di raggi cosmici. E’ l’impatto tra raggi cosmici e atmosfera terrestre a produrre un numero di particelle elementari chiamate muoni, per l’appunto.
Quando una particella dei raggi cosmici si scontra con una molecola dell’atmosfera terrestre, genera una cascata di particelle secondarie.
In realtà i ricercatori hanno registrato che gli sciami di raggi cosmici che interagiscono con l’atmosfera generano una quantità di muoni decisamente superiore a quello previsto dai modelli di creazione di queste particelle elementari elaborati sulla base dei dati ottenuti con il Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra.
Questo potrebbe significare che a energie di collisione superiori a quelle attualmente raggiunte da LHC, nell’ordine dei teraelettronvolt, l’interazione forte – una delle quattro forze fondamentali della natura, coinvolta nella generazione dei muoni e nella formazione dei nuclei atomici – si comporta in modo differente da quanto avviene a energie minori.

Il seguito al prossimo post.
…… continua ……


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Libero arbitrio spiegato al mio cane.

Domino Effect People Fall in Row

Una tartarughina appena nata va diritta in mare.
Lo chiamiamo istinto. Altri animali già poche ore dopo essere venute al mondo sanno procurarsi il cibo e difendersi. Le formiche, le api nascono già sapendo cosa devono fare. Perché?
Noi lo abbiamo chiamato istinto primordiale. E’ come se fin dalla nascita gli animali sono programmati per svolgere precise funzioni.
Al momento della venuta al mondo gli umani, al contrario, non hanno alcun istinto, non sanno cosa fare, neanche quello di ciucciare al seno della madre che gli viene indotto. E’ come dire che a differenza degli animali l’uomo nasce senza istinto, ma porta con sé una “capacità” innata più spiccata degli animali: l’apprendimento.

Anche gli animali apprendono – mi obietta il mio cane – anche gli animali apprendono dal comportamento dei propri genitori.
E’ vero – rispondo – ma l’uomo ben presto è portato ad elaborare le informazioni ricevute, anche in maniera complessa per risolvere problemi e situazioni complicate. Capacità che in voi animali resta come congelato.

Questa facoltà di decidere oltre l’istinto gli uomini la chiamano “arbitrio”, ovvero la facoltà di decidere consapevolmente le proprie decisioni, la capacità di scelta nell’operare e nel giudicare.

Ma voi umani – mi controbatte il mio cane – siete proprio convinti di agire “consapevolmente”? Siete proprio sicuri di essere consapevoli nel giudicare?
Questa è una bella domanda, amico mio – rispondo – E’ la domanda a cui neuro-scienziati, filosofi e religiosi si affannano a dare una risposta da decenni con un esteso dibattito dove ognuno rivendica le proprie posizioni.

La domanda infatti è se esiste un arbitrio “libero”, o se le nostre scelte sono determinate da fattori fisici, genetici e ambientali. In pratica è ragionevole per noi umani domandarci quanto è libero il nostro libero arbitrio.

L’arbitrio, da non confondere con la ragione o la intelligenza, infatti coincide con la scelta, che può essere “obbligata” da ragioni di necessità, da mancanza di alternativa.
Ci sono poi delle scelte che noi umani chiamiamo di cuore, i sentimenti per esempio non necessitano di un libero arbitrio.

Allora – mi domanda il mio amico a quattro zampe – perché lo chiamate libero?

Perché ci piace immaginarlo.
Noi umani lo facciamo centinaia di volte in un giorno forse anche migliaia senza accorgercene. Ci alziamo la mattina e ci infiliamo automaticamente nel bagno, scegliamo l’abito da indossare anziché un altro, al bar scegliamo un cornetto anziché un altro, poi automaticamente prendiamo la strada per il lavoro. Prendiamo decisioni per noi stessi, per la famiglia, per gli altri.

In tutti questi casi, concepiamo noi stessi come agenti liberi, che controllano “consapevolmente” il proprio corpo per raggiungere uno scopo.
Questo a volte può indurci a pensare di aver fatto le scelte giuste quando in realtà non l’abbiamo fatta fra le tante altre alternative di scelta, o di aver fatto una scelta diversa da quella che abbiamo fatto in realtà. Questo vuol dire che non sempre abbiamo la consapevolezza di aver fatto la scelta giusta, ovvero che il libero arbitrio non è del tutto libero, ma semplicemente di aver preso decisioni con nessuna certezza di aver preso quella giusta.

Nell’ambito dell’estetica, poi, ci si potrebbe chiedere se l’artista crea liberamente o è in qualche modo condizionato dalla sua stessa arte.
Altri quesiti riguardanti il libero arbitrio riguardano le istanze sociali e/o bioetiche: sono libero di scegliere in che modo morire? Sono libero di amare chi voglio, sono libero di fare una rapina o sono in qualche modo condizionato dalla società e/o dalla biologia?

Per essere responsabili fino in fondo delle libertà di scelta dobbiamo conoscere non solo quali sono le diverse alternative implicate nella scelta, ma dobbiamo anche essere consapevoli del concetto stesso di responsabilità e degli effetti che le nostre azioni potrebbero avere sugli altri individui.

Il libero arbitrio, quindi, ha a che fare con le nostre capacità conoscitive.

Il determinismo infatti afferma che il nostro libero arbitrio è totalmente condizionato da istanze fisiche, psicologiche o biologiche.

Definizione.
Azzardiamo una definizione.

L’espressione “libero arbitrio” viene genericamente usata per indicare la libertà dell’uomo, i cui atti non sono determinati da forze superiori (di tipo soprannaturale o naturale), ma derivano da sue autonome scelte.

Anche noi animali – mi suggerisce il mio cane – in maniera meno complessa prendiamo decisioni in autonomia, non per questo ci poniamo il problema se è un nostro preciso libero arbitrio. Allora perché voi umani ne parlate tanto?
Il motivo è più complesso di quanto puoi pensare e che voi animali non potrete mai capire – rispondo.

Per capire faccio un esempio.
Le automobili ed i computer hanno il libero arbitrio? Certamente no.
Esse sono costruite dagli uomini e rispondo in tutto per tutto ai nostri comandi. Possiamo ripararle e modificarle. Nel caso dei computer possiamo migliorare le istruzioni per prendere decisioni sempre più complesse. Possiamo anche condizionarle nella scelta.
Ora la macchina dal suo punto di vista ritiene di operare secondo il “suo” libero arbitrio. Ma sappiamo che non è così.
Noi umani non siamo altro che una macchina neuronica e come un computer rispondiamo a precisi programmi immagazzinati in noi stessi che ci fanno ritenere di agire liberamente.

Libero arbitrio e religione.
La vera domanda relativa al nostro libero arbitrio è un’altra: siamo realmente in grado di discernere ciò che è bene da ciò che è male.
Questa affermazione infatti potrebbe sganciare il libero arbitrio dalle istanze etiche da decisioni che arrecano danno a persone e a cose.

Il monoteismo ebraico induce necessariamente a porre in Dio il principio del bene come del male fisico: non c’è cosa che lui non sappia e che lui non voglia. E’ impossibile che sopravvenga una calamità, qualsiasi azione nel passato, nel presente, nel futuro che non sia stata “voluta e prodotta” da Dio. Ovvero ogni avvenimento, ogni nostra azione è predestinata.

Queste affermazione sono in netto contrasto con il concetto di libero arbitrio.
Spiego meglio.
Nato sul terreno delle discussioni teologiche cristiane, in relazione alla conciliabilità tra onnipotenza e onniscienza divina e libertà umana, il libero arbitrio è in stretta connessione con i problemi della predestinazione e dell’origine del male.
In altre parole il libero arbitrio è la necessità religiosa di non attribuire a entità superiori la predeterminazione della vita umana, delle sue scelte, del male, delle ingiustizie nel mondo. La necessità di sottrarre Dio da qualsiasi responsabilità diretta per attribuirla esclusivamente alla volontà umana.

Infatti il dibattito si basa sulla volontarietà o meno di questa entità a creare “macchine” che possono generare “liberamente” il bene ma anche il male. Tutto ciò è in netto contrasto con la onnipotenza di Dio.
Allora ecco  la necessità di introdurre il peccato originale. La punizione e l’abbandono della razza umana a sé stesso, al suo destino, ad un libero arbitrio “svincolato” dalla sua volontà.
S. Agostino a questo proposito distingue il libero arbitrio dalla libertà perfetta, che l’uomo quindi avrebbe perduto in seguito al peccato originale, identificandolo come quel “posse non peccari” per cui esso diviene essenzialmente inclinazione al bene, pur potendo volgersi al male.

Tutto ciò comunque non giustificherebbe il comportamento di un Dio onnipotente (ovvero che può fare tutto) nel non interviene a “modificare” la sua macchina. Gli uomini lo fanno con le loro macchine. Non sarebbe poi così difficile per un essere onnisciente (dal sapere illimitato).
Questo getta ombre sulla reale volontà di Dio facendolo apparire una divinità sadica, vendicativa in contrasto con la sua bontà. Ed ecco che la religione corre ancora una volta ai ripari con l’entrata in scena di un’altra divinità “negativa” che indurrebbe gli uomini al male. Così facendo Dio sarebbe estraneo a qualsiasi comportamento amorale dell’uomo, “scaricando, ancora una volta, ogni responsabilità ai cosiddetti angeli ribelli (con a capo il diavolo) che manipolano il “libero arbitrio” degli umani.

Quindi il motivo è chiaro: “il libero arbitrio” serve a salvaguardare la onnipotenza e onniscienza divina da ogni iniziativa malvagia umana che lo renderebbe in qualche modo corresponsabile, complice.

Ora, posso pensare che qualcuno colpito nelle sue credenze possa decidere di abbandonare la lettura.
Non c’è ragione di preoccuparsi. Questi timori nascono da un fraintendimento sul significato di libero arbitrio.

Libero arbitrio e scienza.
Tutto nell’universo, compresi noi e il nostro cervello, è costituito da particelle elementari. Quello che fanno queste particelle è descritto dalle leggi fondamentali della fisica. Tutto il resto, in linea di principio, deriva da questo.
Tutte le leggi fondamentali conosciute della natura sono o deterministiche o casuali. Per quanto ne sappiamo attualmente, l’universo si evolve grazie a una miscela di entrambe.

La fisica classica, afferma che se abbiamo la descrizione di uno stato del mondo in un tempo arbitrario, (ad esempio nel tempo presente) allora tutti gli stati futuri e passati sono univocamente fissati dalle leggi di natura. In pratica posso essere libero anche in un mondo deterministico, in quanto posso fare ciò che voglio sebbene la catena causale degli eventi sia determinata da prima della mia nascita.

Con l’avvento della meccanica quantistica la struttura del tempo non è più lineare ma ad albero e comprende tutta una serie di futuri possibili compatibili con un unico passato.
In che senso posso essere libero in tale contesto? Apparentemente in ogni momento della mia vita potrei fare qualcosa di alternativo rispetto a ciò che faccio. La casualità non rende più spiegabili e giustificabili le mie azioni, perché tutte le mie decisioni presenti diventano tanto più indipendenti dal mio passato (e dunque da me) quanto più sono solo probabili o casuali.

Spiego meglio.
Se le tue decisioni future sono determinate dal tuo passato, non hai il libero arbitrio.
Se le tue decisioni future sono casuali, significa che nulla le può influenzare, e quindi non hai il libero arbitrio.
Se le tue decisioni sono una qualsiasi combinazione dei due casi, non hai il libero arbitrio.

Libero arbitrio, natura e cultura.
La scienza ci dice che la mente umana è frutto della evoluzione di milioni e milioni di anni del cervello degli animali, specie a cui la razza umana appartiene. E’ la facoltà a risolvere le problematiche necessarie a nutrirsi, a difendersi e a convivere in un contesto di una comunità di un gruppo che man mano accresceva e poneva situazioni sempre più complesse da risolvere.

Negli ultimi decenni i rapidi progressi compiuti nel campo delle scienze cognitive, della neuroradiologia e delle neuroscienze in genere (le discipline che studiano il sistema nervoso dal punto di vista morfologico e funzionale) hanno ulteriormente arricchito il dibattito mostrando che le reti stesse su cui “viaggiano” gli impulsi nervosi sono determinate sia dal nostro corredo genetico sia dall’ambiente in cui si sviluppano. Sappiamo inoltre che a ogni regolazione dei livelli di certi neurotrasmettitori, enzimi e ormoni può corrispondere un diverso comportamento umano: è un fenomeno facilmente osservabile.

Libero arbitrio e neurofisiologia.
Nel caso dei peggiori criminali (per esempio gli assassini psicopatici) non è corretto dire che sia colpa loro. Non hanno scelto né i loro geni né i loro genitori, e non hanno creato loro il loro cervello, eppure è il loro cervello la causa delle loro intenzioni e azioni, non un “etereo” libero arbitrio.
I corrotti e disonesti sanno benissimo che compiono azioni contro la legge. Sbagliano ma lo fanno per scelta. Per libera scelta.

Conclusione
E’ meglio credere o non credere nel libero arbitrio?
Il libero arbitrio è una facoltà “sviluppata” dalla nostra mentre nel corso di milioni di anni a seguito della evoluzione, e guidata dal bagaglio genetico, ambientale.

Si è ragionevolmente convinti che il libero arbitrio, inteso in senso tradizionale, sia un concetto infondato, tuttavia alcuni filosofi sostengono che sia meglio vivere con “l’illusione” che esista qualcosa di simile, piuttosto che favorire la diffusione del determinismo. La fiducia nel libero arbitrio potrebbe spronarci a tirare fuori il meglio da noi stessi.
Insomma il libero arbitro salverebbe Dio dalle sue responsabilità e il genere umano nella convinzione di essere liberi nelle scelte.

Il mio cane che è stato pazientemente ad ascoltare, se ne va mestamente verso la sua ciotola. Roba di umani, si imbrogliano da soli.


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Ultimo scattering dei fotoni: parte seconda, i neutrini primordiali

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I neutrini sono particelle piccolissime con carica nulla. Una trottola fatta di niente! Ma molto comune nel nostro Universo!
Sono considerate particelle elementari. Le particelle elementari sono i più semplici componenti della materia, però non fanno parte degli atomi che compongono la materia.
Per farmi capire meglio, gli atomi del nostro corpo non sono fatti di neutrini.

Era il 1957 quando il fisico italiano Bruno Pontecorvo elaborò una teoria secondo la quale queste particelle neutre, piccolissime, dette neutrini ed esistenti in natura in tre diversi ‘‘sapori” (elettronico, muonico e tauonico) potevano trasformarsi una nell’altra durante la loro propagazione. È questa trasformazione a essere chiamata “oscillazione

Tutte le osservazioni astrofisiche concordano sul fatto che i neutrini sono stati prodotti fin dalle prime fasi di evoluzione dell’universo, così come i fotoni della radiazione cosmica di fondo (Cmb).
Lo deduciamo dalla formazione dei nuclei leggeri e dalle proprietà misurate del Cmb. Tuttavia, abbiamo già osservato che queste informazioni ci danno un’evidenza solo indiretta della loro presenza. Altra cosa sarebbe poter fare un esperimento di laboratorio qui sulla Terra che li misurasse direttamente. Per i fisici questa rappresenta, in un certo qual modo, la via maestra per poter pervenire a una scoperta.

Quale che sia la posizione, per così dire, filosofica su cosa debba intendersi per scoperta, di una cosa siamo ragionevolmente certi: se i neutrini sono stati fra gli attori nelle fasi antiche del Big Bang, allora oggi siamo circondati da un gran numero di queste particelle, chiamate “neutrini primordiali” o “cosmologici” (per distinguerli da altri neutrini di diversa origine).

I neutrini primordiali costituiscono un “fondo” analogo ai fotoni della radiazione cosmica di fondo: il Cosmic Neutrino Background (Cnb). Perché dunque non pensare di catturarli con un qualche telescopio a neutrini? L’idea non è stravagante e vi è un precedente rilevante, la misura del Cmb fatta in maniera inaspettata da Penzias e Wilson nel 1964, i quali, lavorando con un nuovo tipo di antenna per microonde, rivelarono un debole rumore di fondo non attribuibile ad alcuna sorgente astrofisica o a sorgenti terrestri note.

Se ciò fosse possibile anche per il caso del Cnb, potremmo verificare alcune delle proprietà che, predette teoricamente o misurate indirettamente, riteniamo di conoscere.
Si dovrebbero, per esempio, contare all’incirca 340 neutrini e antineutrini del fondo per centimetro cubo (un numero enorme rispetto, ad esempio, ai neutrini che provengono dal Sole!), distribuiti in maniera “democratica” nelle tre specie note, e di velocità molto minore della velocità della luce, per almeno due delle tre specie.
Il problema di una misura diretta del Cnb sta nel fatto che a differenza dei fotoni, che interagiscono con la materia (di cui sono fatti gli strumenti di misura) attraverso le interazioni elettromagnetiche, i neutrini interagiscono esclusivamente attraverso le ben più flebili interazioni deboli, il che rende la loro rivelazione estremamente difficile.

Da decenni, si propongono metodi e si avanzano idee su come costruire un telescopio per il Cnb. Quasi tutte, purtroppo, sembrano di difficile, se non impossibile, realizzazione in un futuro prossimo, con forse un’unica eccezione: un telescopio a trizio.

trizioSulla base di una vecchia idea di Steven Weinberg, che scrivendo nei primi anni ’60 pensava però che l’effetto fosse misurabile per una proprietà dei neutrini legata al celeberrimo principio di esclusione di Pauli e non alla loro massa.
L’esperimento Ptolemy al Plasma Physics Laboratory di Princeton si propone di rivelare i neutrini (e gli antineutrini) primordiali osservando la traccia che lasciano quando interagiscono con nuclei di trizio.
L’idea di base dei “telescopi” a trizio è di rivelare indirettamente i neutrini del fondo cosmico facendoli interagire con nuclei di trizio (un isotopo dell’idrogeno).
Catturando un neutrino, un nucleo di trizio emette un elettrone di energia cinetica superiore a quella massima degli elettroni prodotti nel normale decadimento beta del trizio. Si stima che un bersaglio di 100 grammi di trizio possa produrre circa 10 eventi all’anno di cattura di neutrini primordiali.

La sfida sperimentale è notevole, perché si tratta di costruire un rivelatore con una risoluzione in energia inferiore all’eV, ma un prototipo in scala è già in funzione e capiremo presto se siamo sulla buona strada per osservare i più antichi messaggeri dell’universo.

(fonte “Simmetrie” n.21)

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Ultimo scattering dei fotoni: parte prima.

scattering

Ciò che oggi fa parte del nostro modo di pensare quotidiano, ha rappresentato negli anni ’20 dello scorso secolo una nuova vera e propria rivoluzione copernicana.

La relatività ci insegna che non è possibile trasmettere alcun segnale a una velocità maggiore di quella della luce. Questo significa che, osservando, ad esempio, una galassia a una data distanza da noi, i segnali luminosi che riceviamo ne sono una fotografia scattata al momento in cui sono partiti, e ci informano sulle sue proprietà a un tempo via via più remoto, man mano che la distanza diventa sempre più grande.

Ora la domanda da farci è se possiamo osservare l’universo nel corso della sua evoluzione e tracciare gli stadi attraverso i quali è passato, dalla sua infanzia sino ad oggi.

Sfortunatamente, questo è impossibile se si usa la radiazione elettromagnetica (i fotoni) come messaggero.

Per capire facciamo un passo indietro.
È ormai familiare a tutti, a differenti livelli di profondità, l’idea fondamentale della teoria del Big Bang “caldo”: cioè che l’universo sia in continua espansione, a partire da uno stato iniziale molto denso e caldo (circa 13,8 miliardi di anni fa), in cui era “tutto in un punto”.

In questo scenario le stelle e galassie si sono formate solo in tempi relativamente recenti e non erano certamente presenti quando tutto era in un punto.
Anche osservando la radiazione cosmica di fondo dei fotoni (più precisamente, di microonde), ci si può spingere a un’epoca di circa 380.000 anni dopo il Big Bang, noto come il tempo di “ultimo scattering” dei fotoni.

In tempi anteriori, la materia era in uno stato noto come “plasma”, elettroni e protoni non erano legati a formare atomi neutri e interagivano mutuamente emettendo e riassorbendo fotoni.
In queste condizioni la radiazione elettromagnetica, una volta prodotta, non era libera di viaggiare indisturbata per raggiungere oggi i nostri rivelatori, perché era assorbita e riemessa incessantemente.

Vi sono due possibilità per studiare l’evoluzione dell’universo in tempi più remoti: usare altre particelle, la cui presenza lasci una traccia, anche se indiretta, su quantità che possiamo osservare direttamente. Oppure adoperare il fatto che ogni particella interagisce gravitazionalmente.
Questo è il caso della materia oscura della cui esistenza abbiamo numerose indicazioni indirette legate al campo gravitazionale che essa produce, senza il quale l’universo ci apparirebbe molto differente da quello che osserviamo.

Dal momento che non si ha conoscenza della materia oscura non rimane che studiare i “neutrini”.
Queste particelle, “inventate” dalla fantasia visionaria di Wolfgang Pauli nel 1930 per “salvare” il principio di conservazione dell’energia nel decadimento beta dei nuclei, non finiscono mai di sorprendere i fisici per le loro straordinarie proprietà.

Come i fotoni, anche i neutrini popolano l’universo sin dalle origini. A differenza dei primi, interagiscono con le altre particelle soltanto attraverso le interazioni deboli che, come dice il nome, sono molto più flebili di quelle elettromagnetiche.

Questo fa sì che il loro “ultimo scattering” abbia avuto luogo in tempi molto più remoti, addirittura circa un secondo dopo il Big Bang!
In quest’epoca, l’universo era in piena attività e i neutrini erano fra gli attori principali: le loro interazioni con protoni, neutroni ed elettroni sono il primo passo che porta alla formazione dei nuclei leggeri (deuterio ed elio).

E’ per questo motivo che forse il ruolo dei neutrini nell’universo potrebbe portarci ancora più lontano.

Vi sono, infatti, modelli teorici che prevedono che la ragione del fatto che nell’universo oggi osserviamo soltanto materia e non antimateria sia legata proprio a una proprietà che solo i neutrini possono possedere, ossia di coincidere con le loro antiparticelle, gli antineutrini.
In questo caso i neutrini portano il nome di uno dei più brillanti fisici italiani di tutti i tempi e si chiamano “neutrini di Majorana”.

Se questi modelli venissero confermati, potremmo avere un’immagine dell’universo all’epoca nella quale è scomparsa l’antimateria, in pratica quando tutto era in un punto!

…… continua ….

(fonte: “Simmetrie” n.21)

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Nuova misura della espansione dell’universo.

cefeidi

Da quasi un secolo sappiamo che l’universo è in espansione e che allontana le galassie l’una dall’altra.
Meno nota è la velocità con cui ciò accade.

In seguito alla grande esplosione iniziale, il Big Bang, le galassie si allontanano le une dalle altre. Ma la mutua attrazione gravitazionale delle galassie esercita un’azione frenante e gli scienziati hanno cercato di capire quale possa essere il destino finale dell’universo.
È possibile che la gravità sia sufficiente a rallentarne progressivamente l’espansione fino ad invertirne il moto. In questo caso l’universo finirebbe con il collassare su se stesso. Nel caso contrario, l’universo, pur continuando a rallentare, è destinato ad espandersi per sempre.

La velocità di espansione dell’universo è quindi uno dei valori chiave nella nostra comprensione del cosmo per capire il nostro destino.

A molti la cosa potrebbe interessare poco, ad altri per niente. Un giorno una casalinga di Verona mi disse che importanza aveva per lei conoscere il destino della terra e dell’universo dal momento che lei sarebbe scomparsa molto prima. Come dire: interessa poco capire ciò che accadrà dopo di noi.

All’inizio del 1900 si ignorava l’esistenza di galassie al di fuori della nostra Via Lattea.
Poi l’astronomo Edwin Hubble scopre diverse stelle variabili di tipo cefeide (stelle giovani e luminose con massa tra 5 e 20 volte quella solare.) in diverse nebulose. Queste nebulose erano galassie lontane esterne alla Via Lattea ma simili per dimensioni e struttura.
Nel 1929 Hubble, compie un’altra scoperta fondamentale in campo cosmologico: più le galassie sono distanti, più si allontanano velocemente dalla Terra. Scopre quindi la relazione, nota come Legge di Hubble tra la distanza della galassia e la sua velocità di recessione.
Insomma dal momento del Big Bang l’espansione dell’Universo accelera costantemente.

Questa relazione tra il moto di allontanamento di una galassia dalla nostra visuale e la sua distanza dalla Terra viene espressa con una semplice formuletta:

V = H0 dL

dove (Ho) è la costante di Hubble, detta semplicemente acca zero, e (dL) è la sua distanza dalla Terra in funzione della luminosità (L) della galassia.
Quindi, nota la costante di Hubble e calcolata la distanza di una galassia dalla Terra, con una semplice moltiplicazione si ottiene la velocità di recessione della galassia.

Le misure.
Sul reale valore di questa costante c’è stato e c’è ancora un gran dibattito.
Inizialmente lo stesso Edwin Hubble aveva fissato il valore di 500 chilometri al secondo per megaparsec (un megaparsec è pari a circa 3 milioni di anni luce).

Questo valore tuttavia fu considerato troppo alto, facendo nascere una vera gara tra gruppi di scienziati.
(50 km/s/Mpc) per il fisico Sandage ed i suoi seguaci, e circa (100 km/s/Mpc) per il fisico Vaucouleurs.

Una misura più precisa è stata possibile solo in anni recenti: una prima stima basata sulle osservazioni delle Variabili Cefeidi col Telescopio Spaziale Hubble (HST) nel maggio 2001 che hanno fornito una prima stima pari a (72±8 km/s/Mpc)

Le osservazioni della radiazione cosmica di fondo condotte col satellite WMAP (2003) fornirono un valore simile dimezzando l’errore: (71±4 km/s/Mpc)
Nel 2006, la NASA ottenne utilizzando il telescopio orbitante Chandra una stima di (77±12 km/s/Mpc)

Per mettere tutti d’accordo la NASA indicò un valore medio: (70,8±1,6 km/s/Mpc) se lo spazio viene considerato piatto o di (70,8±4,0 km/s/Mpc) negli altri casi.

Nel 2011 con la nuova camera all’infrarosso del telescopio spaziale Hubble (HST) è stato misurato un valore di (73,8±2,4 km/s/Mpc)
Nell’ottobre 2012 Freedman e altri, hanno ottenuto un valore per la costante pari a (74,3±2,1 km/s/Mpc) grazie alle misurazioni effettuate dal telescopio spaziale agli infrarossi Spitzer.

lente gravitazionale

Ed eccoci ai giorni d’oggi.
Il 26 gennaio 2017 un gruppo internazionale di astronomi della collaborazione H0LiCOW, ha annunciato i risultati di uno studio, basato sulla diversa lunghezza dei percorsi della luce di quasar deviata da galassie, che operano come gigantesche lenti gravitazionali.
In pratica per la velocità di espansione dell’universo è stata utilizzata una metodologia alternativa rispetto a quanto fatto finora sfruttando una delle predizioni della teoria della relatività generale di Einstein.

La teoria prevede che la luce di una galassia lontana (sorgente) venga deviata dal campo gravitazionale di altre galassie poste fra noi (osservatore) e la sorgente stessa.
Il fenomeno, noto come lente gravitazionale, viene correntemente osservato, e i dettagli della teoria permettono di legare le immagini multiple della sorgente alla costante di Hubble, in modo quasi indipendente dal valore di altri parametri cosmologici (ad esempio, alla densità totale di massa dell’Universo).

La ricerca durata 13 anni su due sistemi di sorgente-lente, la collaborazione internazionale HoLiCOW ha misurato un valore della costante di Hubble di 71.9 km/s/Mpc con una incertezza inferiore al 4%.

Questo metodo è in linea con le misure fatte usando le supernove come indicatori di distanza, mentre sembra non in linea con le misure fatte dal satellite Plank, che utilizza la radiazione cosmica di fondo nelle micro-onde per determinare i parametri cosmologici.

Sì, vabbè – direte voi – qual’è il valore più attendibile?
Secondo la opinione corrente negli ambienti scientifici questo metodo sulle lenti gravitazionali è più semplice e diretto per misurare la costante di Hubble in quanto utilizza solo la geometria e la relatività generale e non altre ipotesi.

A questo punto la nostra casalinga di Verona potrebbe dire perché si dà tanta importanza a questa costante.

Il risultato è che a quanto pare il nostro Universo non è solo sempre più grande, ma che si espande a un ritmo molto più alto di quanto si pensasse.

Facendo uso delle variabili cefeidi si aprirebbero interessanti prospettive circa quella che i cosmologici chiamano ‘nuova fisica

Conseguenze.

Nel caso specifico, occorrerebbe ipotizzare l’esistenza di nuove particelle tuttora sconosciute nell’Universo primordiale.

Lo so, alla casalinga di Verona non interessa ugualmente niente di tutto questo.


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