Possono essere i quark instabili a formare la materia oscura?

Le risposte ai lettori sulla fisica delle particelle, i quark e la materia oscura. La nuova analisi dell'esperimento XENON

Fermi National Accelerator Laboratory / Public domain

Sembra proprio che la fisica delle particelle vi abbia coinvolto, e abbia stimolato la vostra curiosità. Purtroppo non possiamo rispondere a tutte le vostre (tante) domande, e oggi ne abbiamo scelta una che ci ha colpito particolarmente perché cerca di collegare l’ultima serie di articoli con alcuni di qualche settimana fa. Ci chiedete, infatti, se i quark di generazione II e III possono spiegare la materia oscura.

Concedeteci prima un piccolo riassunto (per maggiori dettagli potete leggere qui e qui): l’85% della materia che costituisce il nostro Universo è invisibile ai nostri più sofisticati strumenti di misura. Sappiamo che esiste perchè vediamo come interagisce gravitazionalmente con la materia che vediamo, ma non riusciamo a vederla e non sappiamo di cosa è fatta. Non interagisce con la forza elettromagnetica, né con la forza forte di cui abbiamo parlato nell’ultimo articolo (leggi qui). Questo rende particolarmente difficile il compito di studiarla sperimentalmente. È quindi assente dal Modello Standard, la nostra teoria più avanzata per spiegare la materia e le sue interazioni, e rimane uno dei misteri più grandi per la fisica. Sono state proposte una moltitudine di ipotesi per spiegare la materia oscura, molte delle quali richiedono l’introduzione di nuove particelle e forze che non conosciamo. L’ipotesi del lettore invece rientra tra quelle che cercano di spiegare la materia oscura con particelle che già conosciamo. Nel Modello Standard, le particelle di materia conosciuta sono divise in tre famiglie, dette generazioni (vedi immagine sotto). Solo la prima generazione forma particelle stabili, tra cui neutroni e protoni. Le altre sono altamente instabili e si possono osservare solo in esperimenti ad alte energie o nei raggi cosmici (leggi qui). Ma non è che da qualche parte nell’Universo le condizioni sono tali che le particelle fondamentali di famiglie diverse dalla prima riescono ad unirsi a formare materia stabile? E se così fosse, non è che è proprio questo tipo di materia a costituire quello che non conosciamo e chiamiamo materia oscura? Ipotesi interessante.

Modello Standard delle Particelle Elementari

Proviamo ad approfondire, procedendo per gradi. Il primo punto da chiarire è il seguente: se abbiamo detto che i quark di generazione superiore alla prima sono instabili, come possono mai formare materia stabile? In realtà particelle che sono instabili quando libere da legami, possono diventare stabili se legate ad altre particelle. E di questo fatto ne facciamo esperienza ogni giorno. Un neutrone libero, infatti, è instabile e decade mediamente nel giro di 15 minuti. Quando legato ad altri neutroni ed a protoni, invece, diventa stabile e permette di formare tutti i nuclei degli elementi della tavola periodica, fino addirittura stelle composte quasi solo di neutroni. Non abbiamo però evidenza al momento di particelle stabili composte da quark di seconda e terza generazione. Secondo punto: la fisica con la quale descriviamo la Natura standocene qui sulla Terra, o al massimo con esperimenti nel sistema solare, funziona altrettanto bene in parti dell’Universo lontane miliardi di anni luce? Non lo sappiamo con certezza. Quello che sappiamo è che assumendo che sia così, le nostre teorie sembrano funzionare molto bene. Senza questa assunzione l’astronomia e la cosmologia non esisterebbero come scienze. Bene, accettiamo quindi questa assunzione. Sotto questa condizione, allora, possiamo dire che no, nell’Universo vicino e remoto, non ci sono al momento evidenze di materia stabile formata da quark diversi da quelli della prima generazione. Tra le varie ipotesi per la materia oscura, l’unica di cui siamo a conoscenza che coinvolge materia di generazioni diverse dalla prima, prende il nome di “stangelet”. Sono ipotetiche particelle formate da un numero uguale di quark up, down e strange. Dobbiamo essere sinceri, non sappiamo molto su questa ipotesi, ma sicuramente è, come tutte le altre, molto difficile da testare sperimentalmente. La natura ultima della materia oscura è infatti una delle grandi domande ancora irrisolte della fisica. Questo tipo di problemi sono linfa vitale per la ricerca in fisica perché ci costringono a spingere all’estremo la nostra immaginazione così come le nostre tecniche matematiche e sperimentali. Allo stesso tempo sono spesso accompagnate da un numero esiguo di dati e osservazioni diretti che rende molto difficile discernere tra le varie ipotesi matematicamente plausibili. Ogni piccola, anche indiretta, evidenza può essere fondamentale per indirizzare e guidare la nostra comprensione.

via Gfycat

Pochi giorni fa, il 17 Giugno, la collaborazione internazionale di scienziati che lavora all’esperimento XENON con base ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, ha presentato una nuova analisi dei loro dati dalle conseguenze possibilmente molto interessanti. L’esperimento è considerato il più sofisticato e sensibile al mondo per la ricerca diretta della materia oscura, e ogni annuncio da parte della collaborazione desta comprensibilmente molto scalpore. La notizia è che i dati presentano una piccola anomalia rispetto a quello che ci aspetteremmo con la fisica che conosciamo. E tale anomalia è compatibile con l’esistenza di un tipo di nuove particelle ipotizzate chiamate “assioni solari”. Ora, il collegamento con la materia oscura è indiretta. Gli assioni solari infatti non sono considerati possibili componenti della materia oscura. La loro conferma, però, darebbe credito all’esistenza anche di altri tipi di assioni, non prodotti nel sole, ma prodotti nelle prime fasi di vita dell’Universo. E questi sì sono una delle ipotesi per spiegare questo 85% di materia invisibile! Ci sono, purtroppo, alcuni “però”. Innanzitutto l’articolo scientifico deve ancora passare tutti gli step di controllo e review per la pubblicazione ufficiale in una rivista scientifica: in termini tecnici è ancora allo stato di pre-print. Ma questo è probabilmente solo questione di tempo. Il grande “però” è un altro. Gli scienziati, soprattutto su risultati che potrebbero avere un grande impatto su grandi problemi aperti della fisica, sono solitamente molto prudenti e cercano di tenere in considerazione tutti i possibili fattori che potrebbero influenzare il risultato. Nel caso di XENON, lo stesso articolo fa notare che l’anomalia non è solo compatibile con l’esistenza degli assioni solari, ma anche con la presenza di piccolissime impurità (piccolissime quantità di trizio) nell’apparato sperimentale. Allo stato attuale, quest’ultima sembra, purtroppo, l’ipotesi più plausibile. A meno che non si riesca ad escludere in maniera indipendente la presenza di trizio in XENON, l’attesa per evidenze sperimentali anche indirette che favoriscano un’ipotesi sopra le altre per spiegare il mistero della materia oscura continua.

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Commenti

tremendo2

Dom, 21/06/2020 - 16:07

quando da bambino andavo in montagna trovavo a volte delle corde d'acciaio che collegavano due punti della montagna e servivano per mandare a valle tronchi o altro. Mi divertivo a scuotere la corda e ad aspettare il ritorno, naturalmente allontanandomi perché il movimento di ritorno era veramente forte e non si poteva tenere la mano nella corda. Si creava così un ciclo che sommato ai precedenti formava una cosa molto strana. Se l'universo fosse come una ciambella, avremmo che ogni movimento continua a circolare nell'universo tornando indietro dalla parte opposta come se camminando sulla terra si ritorna al punto di partenza.

tremendo2

Dom, 21/06/2020 - 16:17

a parte il fatto che non so quanto tempo ci voglia perché il movimento ritorni, questo movimento viene disturbato continuamente da altri oggetti o movimenti che incontra nel percorso, financo a disturbare se stesso. Se le cose stanno così si viene a creare un disturbo di fondo incredibile che rende difficoltoso o forse impossibile analizzare un singolo fenomeno. Se poi le vibrazioni sono ortogonali o vanno all'indietro, le cose si complicano. Questo potrebbe spiegare come da una vibrazione iniziale sia uscita la complessità dell'universo (per universo intendo ciò che consideriamo nel raggio della nostra indagine)

tremendo2

Dom, 21/06/2020 - 16:52

le particelle descritte nell'articolo riguardano solo la materia, o anche l'antimateria? E ogni particella può avere l'antimateria? E l'antimateria si trova nello spazio, nel tempo o in un'altra dimensione immaginaria?

tremendo2

Mer, 24/06/2020 - 10:13

La fisica (e non può fare altrimenti) considera il mondo subatomico regolato da leggi, a volte complicatissime, in cui è assente la vita perché, si dice, la vita prende forma con macromolecole. E se non fosse così? Se quel famoso “disturbo”, quella “materia oscura” fosse conseguenza di una forma di vita che non riusciamo ancora ad immaginare. E poi non è strano che la vita si manifesterebbe al di sopra di determinate grandezze, decise poi da noi. Se tutto fosse vita? Il problema è che non sappiamo ancora cosa è la vita e come mai la vita è garantita dal disordine in barba alle leggi fisiche. Scriveva Italo Calvino (in senso metaforico): la linea più breve tra due punti «non è una retta ma uno zig-zag».

ersteller

Gio, 25/06/2020 - 13:05

Tremendo chiede: "le particelle descritte nell'articolo riguardano solo la materia, o anche l'antimateria?". L'antimateria nel caso degli adroni (che sono composti da quark) è composta dagli stessi 'tipi' di quark, solo scambiando i quark con antiquark e viceversa. Ad es: il protone è composto da due quark up e un quark down e l'antiprotone da due antiquark up e un antiquark down, mentre un pione positivo è composto da un quark up e un antiquark down e la sua corrispondente antiparticella, il pione negativo, è composto da un antiquark up e un quark down. I leptoni non sono composti da quark e ciascun leptone (ad es. l'elettrone) ha la propria antiparticella.

ersteller

Gio, 25/06/2020 - 13:12

Tremendo dice: "non è strano che la vita si manifesterebbe al di sopra di determinate grandezze, decise poi da noi?". Qui, se per 'vivo' intendiamo 'esistente', allora tutto è 'vivo'. La faccenda della grandezza direi che dipende dal fatto che in questo caso intendiamo per 'vivo' un 'qualche composto' abbastanza complesso da -per buttarla in ridere- scappare via se sente un pericolo. Tale capacità non la si riscontra di certo nelle particelle elementari, occorre almeno un sistema nervoso, un cervello abbastanza sviluppato e qualche muscolo. Comunque è assai interessante il testo di Lee Smolin "La vita del cosmo": anche se un po' datato si parla proprio di vita DEL cosmo, non NEL cosmo.

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theRedPill

Gio, 25/06/2020 - 14:03

Quindi: l'universo è composto da materia stabile con quark di generazione I, e supporre che le interazioni che sperimentiamo sulla terra siano genericamente valide in tutto l'universo è l'unica ipotesi al momento plausibile.

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theRedPill

Gio, 25/06/2020 - 14:05

Io comunque rimango scettico sull'esistenza di materia/energia oscura. L'ipotesi alla base è che l'interazione gravitazionale si propaghi alla stessa velocità di quella elettromagnetica quindi tutto quello che vediamo deve avere un pari riscontro gravitazionale mentre noi "vediamo" meno di quanto riusciamo a "pesare". Non sarebbe più semplice ipotizzare che l'universo sia molto più ampio ma che la luce dell'85% della materia non ci sia ancora arrivata, quindi non la "vediamo" ma la "sentiamo"? In altre parole, come si integra l'interazione gravitazionale nel modello standard?

ersteller

Gio, 25/06/2020 - 15:20

@theRedPill: a quanto ne so la più grande conferma che la velocità della gravità è uguale alla velocità della luce viene dall’osservazione del 2017 dalla fusione di due stelle di neutroni: prima è arrivato un segnale d’onda gravitazionale, registrato in entrambi i rivelatori LIGO e Virgo. Poi, ***1,7 secondi dopo***, è arrivato il primo segnale elettromagnetico: i raggi gamma ad alta energia del cataclisma esplosivo. Poiché questo evento è avvenuto a circa 130 milioni di anni luce di distanza si può limitare la differenza tra le due velocità a meno di un milionesimo di milardesimo della velocità della luce.

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theRedPill

Ven, 26/06/2020 - 10:14

ersteller, il tuo è un buon argomento, tuttavia continuo a essere scettico sulla materia/energia oscura; a meno che non sia un modo implicito per dire che ancora non abbiamo capito qualcosa di fondamentale quindi i calcoli sono incompleti, ma non mi piace il termine "oscuro" ché fa molto "Harry Potter".

tremendo2

Ven, 26/06/2020 - 10:52

Citando Lee Smolin, lei mi ha fatto balenare problemi ancora più complessi. 1) come si è potuto passare da particelle elementari non vive a organismi viventi? E negli organismi viventi a una mente che sembra dematerializzata pur servendosi del cervello? Vorrei evitare di ricorrere a Dio perché la Bibbia non è un libro di fisica. (già detto da Galileo) Osservando gli esseri viventi io vedo che esiste tutta una serie di passaggi (non so quanto spiegabili) da forme di vita meno complesse ad altre più complesse. Perché quindi non potrebbero esserlo le particelle infratomiche in forme che ancora non siamo in grado di utilizzare? La difficoltà più grande che in fisica applichiamo delle leggi, mentre la vità contiene qualcosa di imprevisto che non è possibile stabilire a priori. Per esempio una pianta non è mai uguale ad un altra. Ma questo è dovuto alla vita o a circostanze esterne. Noi siamo solo una combinazione di cromosomi?

tremendo2

Ven, 26/06/2020 - 10:52

2) la fisica delle particelle si trova ad affrontare difficoltà sempre maggiori. I motivi per me possono essere diversi: - strumenti non ancora adeguati - complessità delle formulazioni matematiche per descrivere i fenomeni fisici (serve forse una nuova matematica?) - modelli incompleti per mancanza di variabili di cui non si conosce ancora l’esistenza: quindi non solo la materia oscura citata nell’articolo, ma anche nuove interazioni, sincronicità tra eventi distanti, forme i vita a livello atomico (per esempio l’attrazione degli opposti non appartiene anche alle forme di vita iù complesse), scambio continuo tra materia e antimateria, ecc. - o forse è la nostra mente che è ancora limitata nel comprendere. Noi ragioniamo per causa ed effetto; ma se accadesse anche il contrario? Cioè l’effetto interagisce con la causa? A priori non bisognerebbe escludere nulla.

ersteller

Ven, 26/06/2020 - 12:18

@theRedPill: Beh, io (e molti altri, credo) son proprio del parere che ne sappiamo davvero molto poco. Se è vero che il 67% dell'universo è rappresentato da energia sconosciuta (che aumenta il tasso osservato di espansione dell'universo), da un 27% di materia sconosciuta (che tiene insieme le galassie nonostante la loro rotazione) stiamo ragionando sul 6% di ciò che esiste. Ne sappiamo davvero molto poco, e tutto sommato l'attributo 'oscuro' mi piace :-)

ersteller

Ven, 26/06/2020 - 12:31

@tremendo: credo che siamo in difficoltà per *almeno* due dei motivi da lei citati: modelli incompleti (assai incompleti se è vero che stiamo ragionando sul 6% dell'esistente) e necessità di nuovi strumenti matematici: per dire, Newton/Leibnitz INVENTARONO il calcolo differenziale solo per risolvere F=ma. Einstein non dovette inventare nulla, ma utilizzò il calcolo tensoriale da poco 'inventato' dai matematici. ------- Sul problema di COME e SE la coscienza nasca dalla complessità: si tratta di temi interessantissimi, ma non credo che queste pagine dedicate alla fisica siano il luogo adatto per discuterne.

tremendo2

Ven, 26/06/2020 - 17:53

lo so, vado spesso fuori tema. Il motivo è che mi appassiona molto quando la scienza ha a che fare con ciò che si vive quotidianamente. La politica, i mezzi di comunicazione parlano molto di numeri, di moneta, ecc. Cose che sembrerebbero accertate nel loro significato, eppure sono utilizzate per ingannare.

ersteller

Ven, 26/06/2020 - 19:10

Tremendo, sulla faccenda che quando si parla di moneta (e di tasse!) lo scopo PRIMARIO sia quello di ingannare, mi trova perfettamente d'accordo. Ritengo sappia tutto sulla Modern Monetary Theory; la sua attuazione sarebbe (e lo dico convintamente) la salvezza del genere umano. Va da sè che in tale regime la corruzione sarebbe IL peccato capitale. Ma sarebbe anche un peccato stupidamente inutile (il che non la impedirebbe, purtroppo, conoscendo appena un po' l'animo umano...)

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theRedPill

Sab, 27/06/2020 - 10:07

@ersteller, con la MMT è andato OT; comunque la MMT non può funzionare poiché è la classica imposizione statalista che non sarà mai accettata dal popolo; le consiglio Honest Money di Gary North, il pdf sul Mises institute; se ha voglia e tempo può leggersi l'Azione Umana di L. von Mises, e lì troverà una teoria economica solida che non deve aggiornarsi a ogni crack finanziario per spiegare i fenomeni a posteriori.

ersteller

Sab, 27/06/2020 - 11:46

--- OT --- @theRedPill:quando in North leggo "What violations of the principles of the Bible did the West commit that led us into this mess? [...] There are Biblical alternatives" mi cadono le braccia e mi arrendo. Continuo a considerare assai più sensato l'approccio MMT; cito banalmente da Wiki: "Per l'MMT in un sistema di moneta legale, tutto il denaro è creato dal governo che quindi non ne rimarrà mai senza poiché lo stampa e mette in circolazione. Le tasse non avrebbero quindi la funzione di finanziare la spesa pubblica ma non sarebbero inutili poiché consentirebbero al sistema di funzionare costringendo le persone a usare il denaro messo in circolazione, inoltre le tasse sono necessarie per impedire il "surriscaldamento" dell'economia, ad esempio consentendo di frenare l'inflazione". Statalista ma sensato. --- FINE OT, SCUSATE TUTTI ---

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theRedPill

Sab, 27/06/2020 - 13:09

lasci perdere le citazioni bibliche, legga il succo dell'argomento; l'MMT non può funzionare perché il denaro non può essere creato dal governo, il denaro è il più importante bene economico, con l'MMT ci ritroviamo in URSS, o in Venezuela -- chiudo anch'io l'OT

tremendo2

Lun, 29/06/2020 - 11:09

su denaro e moneta (due concetti opposti) è uscito il mese scorso un saggio di Carlo Ghiringhelli: "Le bollicine di bugie"