L'Universo è Stabile, Instabile o Metastabile

8/18/2019 L'Universo è Stabile, Instabile o Metastabile

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L’Universo è stabile, instabile o metastabile? Ing. Silvano D’Onofrio

Sommario

L’Universo è stabile, instabile o metastabile? ................................................................................................... 1

Il bosone di Higgs. .......................................................................................................................................... 4

INSTABILITA’ .................................................................................................................................................. 5

METASTABILITA’ ............................................................................................................................................ 5

STABILITA’ ...................................................................................................................................................... 5

In conclusione ............................................................................................................................................ 6

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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 contenutanell’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 fortementecondensata. 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) nonsiano una specie in via d’estinzione?

Come vedi i termini del ragionamento sono cambiati. Da un calcolo delle masse contenute


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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 incontinuo 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.


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Il 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 particellemediatrici 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 lasimmetria 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.


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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 da114 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?

Il 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


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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 13miliardi 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.

n 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.

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