L’Universo è stabile, instabile o metastabile?

bosone di higgs3

Ci siamo sempre domandati che fine farà il nostro universo.
Collasserà? Si espanderà?

Gli scienziati dicono che tutto dipende dalla densità della materia nell’universo. Ovvero quanta materia è contenuta nell’universo e dalle forze che la dominano.
In pratica se l’universo finirà dipende dalla capacità della materia visibile e invisibile contenuta nell’Universo a fermare la sua espansione. Per gravitazione.

Più precisamente dipende dalla sua densità media.
Densità media dell’universo, cosa vuol dire? – mi domanda l’amico Nicola.

Ho capito che qui ci vuole più di una spiegazione, così con calma mentre sorseggio il mio latte macchiato e mordicchio un cornetto alla nutella, raccolgo le idee per rendere la cosa meno complicata.

Nessuno sa quanta materia ci stia nello spazio – rispondo – L’universo è fatto di immensi vuoti dove più bassa è la presenza della materia e di galassie sparse qua e là dove la materia è fortemente condensata. A questa andrebbe aggiunta una materia non osservabile (oscura) sconosciuta che forse rappresenta il 90% della massa presente nell’universo.
Per semplificare le cose gli scienziati fanno finta che la materia occupi uniformemente l’universo con una densità fittizia che per comodità è chiamata densità media.

Ora possono succedere 3 cose.
– Se la densità media della materia (distribuita omogeneamente in tutto l’universo, secondo il principio cosmologico) è più grande di un certo valore critico, determinato dalla velocità di espansione, lo spazio s’incurva a un punto tale da chiudersi su se stesso. Le traiettorie percorse dai corpi (dalle particelle alle galassie) e persino il cammino dei raggi di luce s’incurvano e si parla in questo caso di universo chiuso, con un’estensione finita. (Universo finito). L’universo collasserà su se stesso in un Big Cruch ovvero un Big Bang al contrario.
– Se la densità è minore del valore critico l’universo è incurvato al contrario, verso l’esterno, e si dice aperto. In questo caso, lo spazio è infinito. (Universo infinito)
– Infine, se la densità coincide (uguale) con il valore critico, si ha il caso limite di un universo piatto (anche in questo caso infinito). Ad un certo momento l’espansione rallenterebbe fino ad arrestarsi e l’universo entrerebbe in uno stato di stasi permanente. Gli scienziati sono convinti che la massa presente nell’universo sia quasi esattamente uguale alla massa critica

Non è il caso che ora vi preoccupiate.
Dormite sonni sereni. Non è un problema che gli scienziati debbono risolvere per domani mattina per farvi passare una giornata tranquilla. Per ora non succederà proprio un bel niente. Né domani, nè fra qualche miliardata di anni.

Allora qual è il motivo di tanto interesse? – interviene ancora Nicola.
Beh! a molti piace leggere sui social network i fatti altrui (o impicciarsi che è la stessa cosa). Agli scienziati piace impicciarsi dei fatti del cosmo.

Uhm, che c’entra tutto questo con l’Universo metastabile – mi domanda Luigi (altro amico).

Tutto ruota attorno a una domanda: quanto è stabile l’universo? Ovvero, quanto possiamo star tranquilli che entità fondamentali come, per dirne due, protoni ed elettroni (per non dir di noi) non siano una specie in via d’estinzione?
Come vedi i termini del ragionamento sono cambiati. Da un calcolo delle masse contenute nell’universo che nessuno conosce, si è passati a ragionare su qualcosa di cui la stessa materia è costituita. Infatti l’unico modo è fare riferimento alla fisica delle particelle elementari, le cui caratteristiche e il cui comportamento sono strettamente collegati alla storia e al destino dell’universo.

Ebbene, la chiave sta nel bosone di Higgs. Ci crediate o meno.
Sì, proprio in questa particella ed al campo ad esso associato.

La cosa sembrerebbe seria perché a suggerirlo c’è uno studio di quelli arciteorici, quattro paginette fitte fitte di formule, firmato da Alexander Bednyakov del Joint Institute for Nuclear Research di Dubna (Russia) insieme a tre colleghi di Amburgo e di prossima uscita su Physical Review Letters.

Gli stati teoricamente possibili sono tre: stabilità, instabilità e metastabilità. La prima è facile da capire: se l’universo fosse stabile, tutti i giochi sarebbero fatti. Nel senso che le particelle, le forze e le leggi della fisica che lo definiscono avrebbero già raggiunto la “forma” definitiva, non cambierebbero mai più.
Anche la seconda è facile da capire: se l’universo fosse instabile, con le leggi della fisica in continuo cambiamento, semplicemente non saremmo qui, non essendoci per esempio modo per la materia d’organizzarsi, con le costanti della natura che le cambiano sotto i piedi.

Dal momento che noi esistiamo possiamo escludere l’instabilità. Com’è allora l’universo: stabile o metastabile?
Comunque vadano le cose, la decisione è stata presa parecchio tempo addietro: circa 14 miliardi di anni fa, per l’esattezza un centesimo di miliardesimo di secondo dopo il big bang.

Proprio a quell’epoca entra in azione il bosone di Higgs, (anche se è più corretto parlare di meccanismo di Higgs): i quark e leptoni (elettroni e neutrini) acquistano massa.
Quanta massa?
Dipende da quanto interagiscono con il campo di Higgs.

Io non c’ho mai capito niente in questa storia del bosone di Higgs – interviene nuovamente Nicola – Tutto assomiglia ad una grande montatura dei fisici per dare spiegazioni alla domanda misteriosa di come si è formata la materia.
Vero – controbatte Aldo – anch’io credo che sono solo belle teorie, invenzioni della mente umana.

Calma, ragazzi – rispondo – non vi agitate. Io spiego le cose come stanno e poi voi decidete. Ascoltare non vi fa male.

Come abbiamo detto il conferimento della materia è sempre stato un mistero.
Tuttavia è verosimile pensare che all’istante del Big Bang non esisteva materia. La domanda era cosa ha formato la materia un attimo dopo. Cosa ha conferito materia alle particelle elementari liberate dal Big Bang.
Se non avessimo massa, se non l’avessero gli atomi, cioè i protoni, i neutroni, gli elettroni di cui noi stessi siamo costituiti, saremmo solo particelle che schizzano nel vuoto alla velocità della luce. Saremmo videogiochi, non realtà consistenti.

lo_spettrometro_a_muoni_con_sovrapposto_una-collisioneppIl bosone di Higgs.
Tralasciamo le spiegazioni divine che non fanno parte della scienza. Ci sono voluti più di sessant’anni da quando si è pensato che ci doveva esserci qualche particella responsabile al pari delle particelle mediatrici delle quattro forze fondamentali.
Ci sono voluti oltre 4 triliardi di collisioni tra protoni, che hanno prodotto solo poche di cosiddetti “eventi positivi”, come sono definiti gli urti, per avere qualche probabilità di imbatterci in un bosone. Alla fine l’hanno scovato.

Nei primissimi istanti dell’Universo tutto era troppo caldo perché il bosone di Higgs potesse fare il suo lavoro. Poi l’Universo si è raffreddato (era trascorso un decimo di miliardesimo di secondo dal Big Bang) e ha avuto luogo una delle trasformazioni più drammatiche di tutta la sua storia: è comparsa questa particella, il bosone di Higgs, con il suo campo diffuso ovunque, e ha cambiato la simmetria del mondo (delle simmetrie parlerò un’altra volta). Sono nate, così, le particelle con la loro massa.

Ma come avviene questo trasferimento di materia – E’ Luigi a chiedermelo.
Luigi è un chimico in pensione. Ha poca dimestichezza con il mondo subatomico, più abituato a equilibrare le reazioni di ossido riduzione e a trattare le macromolecole.

Oramai il latte macchiato l’ho bevuto tutto, come pure ho dato l’ultimo morso al cornetto. Il discorso si presenta lungo, così usciamo dal bar. La bella giornata invita ad una passeggiata.

Raccolgo mentalmente quel poco che so e che ho letto e mi avventuro in una spiegazione.

Il bosone di Higgs è una particella che occupa tutto lo spazio. Per questo motivo gli viene anche dato il nome di “campo”.
Questo campo viene attraversato da particelle come i quark, gli elettroni, i fotoni. Tutte queste particelle, tranne i fotoni, vengono rallentate dal campo di Higgs: è come se ci fosse un attrito tra loro e il campo. Queste particelle non viaggiano più alla velocità della luce (tranne i fotoni), perché si sono “appesantite”, cioè hanno acquistato massa. Alcune sono rallentate moltissimo e hanno assunto quindi una massa grande, come il quark top o il bosone W, altre invece attraversando il campo più velocemente, rimangono più leggere, come ad esempio gli elettroni.

Se il bosone di Higgs ha dato massa a tutto, che cosa ha dato la massa al bosone di Higgs? – mi domanda Aldo.

Questa è una bella domanda, caro Aldo – rispondo.

Il bosone di Higgs è l’unica particella che conosciamo che prende la sua massa interagendo con se stesso. Anche il bosone di Higgs, come tutte le altre particelle massicce, prende massa “navigando” e interagendo con il suo campo. Proprio il valore di questa interazione, l’attrito sperimentato dal bosone di Higgs quando nuota nel “mare” da lui stesso prodotto, determina alla fine la stabilità o meno del vuoto in cui il nostro Universo si trova.

Cosa vuol dire che il bosone determina più o meno la stabilità dell’Universo? – E’ sempre Aldo, il meno istruito di tutti, ma il più arguto, a chiedermelo.
Bravo Aldo. Ecco, è proprio di questo che volevo parlare.

Al bosone di Higgs, croce e delizia della fisica delle particelle, è strettamente legato il destino dell’Universo. Più precisamente, l’informazione cruciale sta nella massa di questa incredibile particella.
L’Higgs gioca un ruolo cruciale per capire com’è fatto l’Universo: la misura precisa della sua massa ci permetterà di conoscere il passato (quello che è avvenuto un decimo di miliardesimo di secondo dopo il Big Bang) così come il futuro. Infatti il destino dell’Universo, in termini di stabilità o instabilità, dipende criticamente dalla massa del bosone.

C’è stata molta incertezza e molta difficoltà nel determinare la massa dello Higgs.
Il bosone avrebbe potuto avere una massa all’interno di un intervallo abbastanza ampio, a partire da 114 GeV/c2 fino a 126 GeV/c2.
Variando il valore del peso dell’Higgs nel quadro del Modello Standard, la teoria che spiega le interazioni tra le forze e le particelle note, si ottengono due scenari possibili: da un lato il collasso dell’Universo e dall’altro la sua espansione indefinita.

INSTABILITA’
Con massa di Higgs inferiore a 120 GeV/c2, secondo il Modello Standard, il nostro universo non esisterebbe. La nostra esistenza dimostrerebbe che è necessario l’intervento di una nuova fisica ad integrare il Modello Standard.

METASTABILITA’
Con massa dell’Higgs Standard tra i 120 e 126 GeV/c2, il nostro universo va incontro ad una trasformazione che lo porterà in una nuova fase, ma ci vorranno miliardi di anni.

STABILITA’
Con massa dell’Higgs Standard maggiore di 126 GeV/c2, il nostro universo si conserverebbe così com’è.

Quindi gli scienziati non sanno ancora un bel niente, mi pare di capire – interviene ancora Nicola. Lui è sempre un po’ polemico, ma è un bravo amico.

Non è vero. I fisici di Atlas e Cms, i due esperimenti indipendenti che hanno scoperto il bosone di Higgs nel 2012, hanno presentato per la prima volta una stima unica per la massa della particella. Il bosone di Higgs pesa 125,09 ± 0,24 GeV/c2. Poco meno dei 125,3 e 126 GeV/c2 precedentemente dichiarati.

Cosa vuol dire?
metastabilitàIl bosone di Higgs è sicuramente l’elemento-chiave del nostro futuro.
Vuol dire che il valore stimato dell’Higgs fa sì che universo ne esce metastabile. Ma vuol anche dire che il nostro universo si trova in una regione al confine tra stabilità e instabilità. E non si può escludere che, se il valore della massa del bosone di Higgs si discosta anche solo di poco dalla stima attuala, l’universo possa in realtà risultare stabile.

Il fatto, però, che saremmo così vicini ad una situazione di stabilità “forte” implica che il tempo richiesto al nostro Universo per compiere il passaggio dallo stato in cui oggi viviamo a quello in cui non ci sarebbero più le condizioni necessarie per la nostra esistenza, diventa molto più lungo dei 13 miliardi di anni e passa trascorsi dal Big Bang iniziale. Insomma, è come un pallone che colpisce il palo: se il bosone di Higgs avesse avuto un centesimo di massa in più il pallone sarebbe entrato in rete, cioè l’Universo sarebbe stato stabile in tutta la sua evoluzione futura; un centesimo in meno, e il pallone sarebbe clamorosamente uscito, cioè l’Universo avrebbe imboccato la strada di uno stato di vuoto “instabile” in cui non ci sarebbe stato posto per la nostra esistenza.

In conclusione.
Secondo questo recente studio la fine del cosmo così come lo conosciamo, non solo è altamente improbabile ma addirittura impossibile.
Quindi l’universo non si contrarrebbe, nè si espanderebbe infinitamente in un mare indistinto di particelle.
E questa è una bella notizia.

Naturalmente, c’è poco da preoccuparsi per il genere umano: qualsiasi cosa succederà, il Sole si sarà spento da un bel pezzo. Ma resta comunque un interrogativo estremamente intrigante per la scienza.

(fonte: MediaInaf)

 

Informazioni su bruce

Ingegnere. Io sono responsabile di quello che dico, non di quello che capisci tu. (Massimo Troisi)
Questa voce è stata pubblicata in Astrofisica, Fisica, Scienza e contrassegnata con . Contrassegna il permalink.

12 risposte a L’Universo è stabile, instabile o metastabile?

  1. maria cavallaro ha detto:

    complimenti per la tua chiarezza, sono finalmente riuscita a capire la funzione di questa particella di Dio e mi rassicuro del fatto che tutto è proiettato in un futuro molto lontano. Questi ragionamenti mi sembrano filosofia pura e spesso non riesco a penetrare il loro significato se non accostandolo alle teorie degli antichi filosofi, create solo grazie alle loro menti speculative che già fin da allora si ponevano le stesse domande dei moderni studiosi. Le loro risposte non erano verificabili perché non avevano le moderne tecnologie e tutto rimaneva nel campo teorico, oggi gli scienziati sono riusciti a dimostrare l’esistenza del bosone e noi profani accettiamo le loro teorie come filosofiche certezze. Buona giornata!.

    Mi piace

    • bruce ha detto:

      Verissimo.
      Gran bella riflessione. Oggigiorno gli scienziati hanno il supporto della tecnologia e sicuramente per questo che la scienza sta correndo così in fretta. Senza gli acceleratori di particelle a velocità prossime a quella della luce, mai avremmo potuto scoprire questa particella, unitamente alle tante altre, vedi i quark e le particelle esotiche che nascono e muoiono in frazioni millesimali di secondo dopo gli scontri con altre particelle.
      Bona giornata anche a te anche se è già sera.

      Mi piace

  2. Rebecca Antolini ha detto:

    Ciao Silvano oggi avevo un giorno confusionale e ora ci sei anche tu con questo post che non trova nessuna via verso il mio cervello.. mah sto invecchiando, o forse il mio cervello perde di colpi.. intanto ti saluto e ti abbraccio.. porta pazienza con la casalinga di Verona😉

    Mi piace

    • bruce ha detto:

      Ah ah ah ah Grande Rebecca. Giornata complicata anche per me, ma questo tuo commento ha messo tutto a posto, mi ha ridato il sorriso.
      Ciao casalinga di Verona. Sono entrato in casa tua e mi sono … perso con tutti quegli addobbi, sono anche inciampato in un tavolinetto credendo di far cadere tutto per terra .🙂
      Un abbraccio.

      Mi piace

      • Rebecca Antolini ha detto:

        Ciao Sivano… ecco anche il tuo commento mi regala un’attimo di gioia e serenità…

        ci sono giornate che potrei cancellare, ma si concludano sempre bene, grazie anche a commenti come questo qui…

        mira comando metti tutto a posto😉 e NON rompere niente😛 un bacio a te e Bleff

        Mi piace

  3. mariella54 ha detto:

    Ciao Bruce molto interessante tutto ciò anche se capisco poco ma quello che sempre mi domando:Prima del big bang cosa c,era?Da dove arriva tutto quello che racchiudeva ?Il via a tutto ciò chi l’ha dato?Non ti sembra che quando ci pensi ci deve essere dietro per forza un ‘intelligenza?Chiamiamola come vuoi ma per me qualcuno o qualcosa ha voluto tutto ciò ha messo il primo seme e da ciò è scaturito tutto .Che GRANDE mistero riusciremo mai a risolverlo?Penso che il nostro cervello non sia in grado di capirlo è troppo ristretto Ciao

    Mi piace

    • bruce ha detto:

      “Prima del big bang cosa c’era? Da dove arriva tutto quello che racchiudeva ?Il via a tutto ciò chi l’ha dato?”

      Cara mariella, ben ritornata. Nessuno lo sa e mai nessuno (credo) lo saprà. Ma è giusto che l’uomo, se gli è stato dato il dono della intelligenza, provi quantomeno a scoprirlo studiando le leggi che governano l’universo.
      Se “qualcuno” voleva che non ci ponessimo domande ci avrebbe dato un cervello da … gallina.🙂
      Se poi ammettiamo una intelligenza superiore allora è altrettanto logico domandarci chi c’era prima di lui, ed ancora chi prima ed ancora prima del prima, un loop infinto secondo il concetto che tutto deve avere un inizio; dove era tutta quella materia o da dove questo qualcuno l’ha presa e come ha fatto a creare l’universo. Certamente è più facile stoppare tutte queste domande non facendoci domande e mettendo a capo di tutto una identità non spiegabile.
      E poi è un gran bel esercizio mentale ragionarci sopra, non ti pare? Non fa male a nessuno.
      Ti auguro una buona giornata.

      Mi piace

  4. MARGHIAN ha detto:

    Ciao. Allora, “se la densità coincide (uguale) con il valore critico, si ha il caso limite di un universo piatto (anche in questo caso infinito). Ad un certo momento l’espansione rallenterebbe fino ad arrestarsi e l’universo entrerebbe in uno stato di stasi permanente”. In quel caso, le galassie e le stelle cesserebbero di allontanarsi- o di avvicinarsi- reciprocamente,, nel caso di un valore superiore alla densita’ critica; ed alla fine si avrebbe un universo fatto di oggetti scuri, ossia buchi neri, nane nere, stelle di neutroni, e la luce visibile. Non ci sara’ la fusione del tutto in un unico grosso buco nero (il big crunch); ne’, al contrario, una rarefazione estrema della materia, e non si avrebbe il cosiddetto “grande strappo” del tessuto spaziotemporale con quanto contiene. Non riesco, forse sbagliando, a definire “infinito” un universo “piatto”, perche’ questo avrebbe comunque un raggio finito, ed una quantita’ finita di materia e di energia, per quanto grande. L’universo “aperto”, se mai, puo’ teoricamente espandersi all’infinito (chiaramente a discapito della densita’).

    Marghian

    Mi piace

    • bruce ha detto:

      Questa cosa dell’universo piatto sinceramente si presta a molte considerazioni e interpretazioni.
      Io dico la mia. Un universo piatto “dovrebbe” corrispondere ad un universo giacente su un piano, quindi infinito in ogni direzione del piano stesso. Questo sarebbe dovuto proprio all’equilibrio delle masse e delle forze in gioco che non farebbero richiudere l’universo su se stesso se vincessero le componenti gravitazionali, oppure se vincessero le componenti repulsive (forza oscura) che ovviamente farebbe piegare all’indietro l’universo.
      Mi viene da pensare che è infinito anche lo “spessore” del piano. Allora in questo caso viene meno il concetto del raggio dell’universo che è associato all’attuale universo sferico in espansione. Insomma l’universo piatto è ciò che sarà e non quello che è ora.
      Non ho travato niente a chiarimento su questa cosa, e spero che qualcuno più addentro di noi ai fenomeni di astrofisica ce lo spieghi, senza fare il professore ripetendoci cose che già sappiamo.
      Buona giornata.

      Mi piace

  5. MARGHIAN ha detto:

    “Mi viene da pensare che è infinito anche lo “spessore” del piano. Allora in questo caso viene meno il concetto del raggio dell’universo che è associato all’attuale universo sferico in espansione”. “Insomma l’universo piatto è ciò che sarà e non quello che è ora”.
    Io per universo finito intendevo l’estensione fisica attuale della materia nello spazio (insomma, quella “Res Extensa” di cartesiana memoria ). “L’universo “aperto”, se mai, puo’ teoricamente espandersi all’infinito (chiaramente a discapito della densita’…). Ciao.

    Marghian

    Mi piace

Il tuo commento

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione / Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione / Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione / Modifica )

Google+ photo

Stai commentando usando il tuo account Google+. Chiudi sessione / Modifica )

Connessione a %s...