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Utente 16812
Ospite
La fisica delle particelle ha una storia molto lunga; in queste poche righe cercherò di descriverne una parte.
La tecnica fondamentale che viene utilizzata nella fisica delle particelle consiste nel far avvicinare una particella ad un'altra e vedere cosa accade. Il primo passo da compiere è produrre un fascio di particelle energetiche; in seguito tale fascio viene accelerato mediante un acceleratore. Il fascio ad alta energia così prodotto viene "sparato" contro un bersaglio fisso (ad es., una piccola lastra di metallo) e con un rivelatore si osservano le particelle che escono dalla zona in cui il fascio ha colpito il bersaglio.
E' la stessa cosa che accade nei tubi catodici dei vecchi televisori, in cui gli elettroni (i raggi catodici, appunto) vengono accelerati da una differenza di potenziale molto alta e diretti, tramite un campo magnetico, verso il bersaglio posto sul retro dello schermo.
In base all'osservazione delle particelle prodotte durante gli urti, è possibile ottenere informazioni sulla struttura dei nuclei atomici della materia bombardata.
Secondo l'equazione di Einstein (E=m*c^2), l'energia "sprigionata" nelle collisioni fa sì che possano prodursi nuove particelle che prima non c'erano. Queste particelle, però, che sono instabili e decadono in tempi rapidissimi (meno di un milionesimo di secondo), non si trovano nella materia ordinaria e quindi possiamo studiarle solo producendole artificialmente attraverso un acceleratore.
Ma qual è lo scopo di studiare particelle così "effimere" ?
LO SCOPO E' QUELLO DI "COMPRENDERE" IL NOSTRO UNIVERSO.
Sapete tutti che la luce proveniente da una Galassia lontana impiega miliardi di anni prima di poter essere rilevata da un telescopio: confrontando le foto di galassie più antiche (le più lontane) con quelle di galassie più giovani (le più vicine), si può studiare l'evoluzione di tali galassie nel tempo.
Lo spazio si espande poiché le galassie si allontanano l'una dall'altra; "riavvolgendo" il tempo all'indietro, risaliremo ad un istante, pari a circa 14 miliardi di anni fa, in cui tutta l'energia dell'Universo era contenuta in un volume piccolissimo e la temperatura era elevatissima (miliardi di miliardi di miliardi di gradi): è l'istante Zero, l'istante della "grande esplosione" (Big Bang) da cui è nato il nostro Universo.
La temperatura attualmente misurata negli spazi interstellari è di 3 kelvin, cioè -270°C (la cosiddetta "radiazione fossile", su cui torneremo dopo). Ora, quando si riscalda la materia ad una temperatura superiore a diverse migliaia di kelvin si produce il "quarto stato" della materia, il cosiddetto plasma (oltre ai tre comunemente conosciuti: solido, liquido e aeriforme), composto da elettroni negativi liberi e ioni positivi.
Il plasma è opaco alla luce in quanto le cariche elettriche, di cui è composto, assorbono i fotoni emessi dagli stessi ioni e ciò significa che il "brodo primordiale", esistente al momento del Big Bang, è rimasto opaco alla luce finché la temperatura non è diminuita al di sotto di 10000 gradi. Gli attuali modelli cosmologici (o cosmogonici) suggeriscono che solo dopo 380000 anni dal Big Bang il nostro Universo è diventato trasparente e i fotoni hanno potuto viaggiare alla velocità della luce in tutte le direzioni.
In parole povere, non potremo mai osservare il nostro Universo prima di quell'istante (cioè prima di 380000 anni dal momento dell'esplosione) perché la luce emessa prima di quell'istante non giungerà mai a noi.
I fotoni, che inizialmente avevano una lunghezza d'onda di meno di un milionesimo di metro (campo di luce visibile), ci arrivano ora come microonde (lunghezza d'onda di circa 1mm); tale campo di radiazione, proveniente da tutte le parti dell'Universo, è compatibile con un "residuo cosmico" di radiazioni (CMB) risalenti all'epoca esaminata: 380000 anni dopo il Big Bang la temperatura della radiazione era di 3000 gradi, ora è di 3 gradi (tale temperatura non è, però, uniforme: in alcune zone dell'Universo è leggermente più alta della media mentre in altre zone è leggermente più bassa del valore medio).
Grazie alla relazione di equivalenza tra massa ed energia, è possibile osservare, in acceleratori sempre più potenti, la creazione di nuove particelle e il loro successivo decadimento come se potessimo vedere ciò che accadrebbe prima dei 380000 anni dal Big Bang.
Si pensi che, aumentando di 100 volte l'energia (ad es. da 1GeV a 100GeV), è possibile "risalire" indietro nel tempo di 10000 volte: facendo un esempio, col vecchio LEP siamo giunti ad un decimillesimo di milionesimo di secondo dopo il Big Bang, col nuovo LHC, sempre del CERN di Ginevra, siamo andati ancora più indietro nel tempo, ad un milionesimo di milionesimo di secondo dopo il Big Bang.
In seguito, cercheremo di capire quali sono stati gli avvenimenti che hanno condotto allo sviluppo di nuove "generazioni" di acceleratori, sempre più potenti, fino ad arrivare alla recente scoperta del "bosone di Higgs".
Grazie a tutti e, come sempre, buona lettura ;)
P.S. Nelle foto, l'Universo primordiale ripreso dalla sonda WMAP della NASA e la time-line dell'espansione dal Big Bang (cliccate sull'immagine per ingrandire) :)
La tecnica fondamentale che viene utilizzata nella fisica delle particelle consiste nel far avvicinare una particella ad un'altra e vedere cosa accade. Il primo passo da compiere è produrre un fascio di particelle energetiche; in seguito tale fascio viene accelerato mediante un acceleratore. Il fascio ad alta energia così prodotto viene "sparato" contro un bersaglio fisso (ad es., una piccola lastra di metallo) e con un rivelatore si osservano le particelle che escono dalla zona in cui il fascio ha colpito il bersaglio.
E' la stessa cosa che accade nei tubi catodici dei vecchi televisori, in cui gli elettroni (i raggi catodici, appunto) vengono accelerati da una differenza di potenziale molto alta e diretti, tramite un campo magnetico, verso il bersaglio posto sul retro dello schermo.
In base all'osservazione delle particelle prodotte durante gli urti, è possibile ottenere informazioni sulla struttura dei nuclei atomici della materia bombardata.
Secondo l'equazione di Einstein (E=m*c^2), l'energia "sprigionata" nelle collisioni fa sì che possano prodursi nuove particelle che prima non c'erano. Queste particelle, però, che sono instabili e decadono in tempi rapidissimi (meno di un milionesimo di secondo), non si trovano nella materia ordinaria e quindi possiamo studiarle solo producendole artificialmente attraverso un acceleratore.
Ma qual è lo scopo di studiare particelle così "effimere" ?
LO SCOPO E' QUELLO DI "COMPRENDERE" IL NOSTRO UNIVERSO.
Sapete tutti che la luce proveniente da una Galassia lontana impiega miliardi di anni prima di poter essere rilevata da un telescopio: confrontando le foto di galassie più antiche (le più lontane) con quelle di galassie più giovani (le più vicine), si può studiare l'evoluzione di tali galassie nel tempo.
Lo spazio si espande poiché le galassie si allontanano l'una dall'altra; "riavvolgendo" il tempo all'indietro, risaliremo ad un istante, pari a circa 14 miliardi di anni fa, in cui tutta l'energia dell'Universo era contenuta in un volume piccolissimo e la temperatura era elevatissima (miliardi di miliardi di miliardi di gradi): è l'istante Zero, l'istante della "grande esplosione" (Big Bang) da cui è nato il nostro Universo.
La temperatura attualmente misurata negli spazi interstellari è di 3 kelvin, cioè -270°C (la cosiddetta "radiazione fossile", su cui torneremo dopo). Ora, quando si riscalda la materia ad una temperatura superiore a diverse migliaia di kelvin si produce il "quarto stato" della materia, il cosiddetto plasma (oltre ai tre comunemente conosciuti: solido, liquido e aeriforme), composto da elettroni negativi liberi e ioni positivi.
Il plasma è opaco alla luce in quanto le cariche elettriche, di cui è composto, assorbono i fotoni emessi dagli stessi ioni e ciò significa che il "brodo primordiale", esistente al momento del Big Bang, è rimasto opaco alla luce finché la temperatura non è diminuita al di sotto di 10000 gradi. Gli attuali modelli cosmologici (o cosmogonici) suggeriscono che solo dopo 380000 anni dal Big Bang il nostro Universo è diventato trasparente e i fotoni hanno potuto viaggiare alla velocità della luce in tutte le direzioni.
In parole povere, non potremo mai osservare il nostro Universo prima di quell'istante (cioè prima di 380000 anni dal momento dell'esplosione) perché la luce emessa prima di quell'istante non giungerà mai a noi.
I fotoni, che inizialmente avevano una lunghezza d'onda di meno di un milionesimo di metro (campo di luce visibile), ci arrivano ora come microonde (lunghezza d'onda di circa 1mm); tale campo di radiazione, proveniente da tutte le parti dell'Universo, è compatibile con un "residuo cosmico" di radiazioni (CMB) risalenti all'epoca esaminata: 380000 anni dopo il Big Bang la temperatura della radiazione era di 3000 gradi, ora è di 3 gradi (tale temperatura non è, però, uniforme: in alcune zone dell'Universo è leggermente più alta della media mentre in altre zone è leggermente più bassa del valore medio).
Grazie alla relazione di equivalenza tra massa ed energia, è possibile osservare, in acceleratori sempre più potenti, la creazione di nuove particelle e il loro successivo decadimento come se potessimo vedere ciò che accadrebbe prima dei 380000 anni dal Big Bang.
Si pensi che, aumentando di 100 volte l'energia (ad es. da 1GeV a 100GeV), è possibile "risalire" indietro nel tempo di 10000 volte: facendo un esempio, col vecchio LEP siamo giunti ad un decimillesimo di milionesimo di secondo dopo il Big Bang, col nuovo LHC, sempre del CERN di Ginevra, siamo andati ancora più indietro nel tempo, ad un milionesimo di milionesimo di secondo dopo il Big Bang.
In seguito, cercheremo di capire quali sono stati gli avvenimenti che hanno condotto allo sviluppo di nuove "generazioni" di acceleratori, sempre più potenti, fino ad arrivare alla recente scoperta del "bosone di Higgs".
Grazie a tutti e, come sempre, buona lettura ;)
P.S. Nelle foto, l'Universo primordiale ripreso dalla sonda WMAP della NASA e la time-line dell'espansione dal Big Bang (cliccate sull'immagine per ingrandire) :)
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