Dal cosmo alle particelle elementari
Uno straordinario scenario da esplorare
I fisici della sezione di Bari sono impegnati, sfruttando vari approcci sperimentali e teorici, a svelare i segreti più intimi della natura. Come le tessere di un puzzle, i risultati delle ricerche in corso ci stanno svelando un po’ alla volta uno straordinario quadro d’insieme di tutto ciò che ci circonda, dalla più piccola delle particelle all’immensità dell’Universo.
Le attività svolte a Bari riguardano tutte le cinque linee di ricerca dell’INFN: fisica delle particelle, fisica delle astroparticelle, fisica nucleare, fisica teorica e ricerca tecnologica e interdisciplinare.
Le linee di ricerca:
Alcune delle domande alle quali i ricercatori della Sezione di Bari cercano risposte, insieme ai loro colleghi di tutto il mondo:
Com'è iniziato tutto?
Tutto è iniziato con il Big Bang, misterioso fenomeno che ha dato vita al nostro universo circa 14 miliardi di anni fa. Partendo da un unico punto l’Universo ha iniziato la sua esistenza subendo un’espansione immensa in pochissimo tempo: come un palloncino si è gonfiato di un milione di miliardi di miliardi di volte, tutto in una piccolissima frazione di un secondo. Conoscere quello che è avvenuto in questi primi momenti rappresenta la chiave di volta non solo per capire come l’universo è diventato quello che è oggi, ma anche per svelare alcune delle sue caratteristiche, la cui comprensione ancora ci sfugge.
Immagine: Mappa della radiazione cosmica di fondo, radiazione residua dalle fasi iniziali del nostro Universo.
Di cos'è composta la materia?
Le stelle, galassie ed altre strutture dell’universo si sono formate da piccole irregolarità iniziali. Infatti, qualche milionesimo di secondo dopo il Big Bang, tutto l’universo era composto da una “zuppa” che conteneva le particelle elementari – un plasma di quark e gluoni. Con la continua espansione, l’universo si è raffreddato e si è formata la materia come la conosciamo, con le particelle elementari legate fra di loro a formare protoni, neutroni, nuclei, atomi e così via.
Uno dei risultati più spettacolari della ricerca in fisica del secolo scorso è stata la scoperta che la materia, nonostante la grande varietà dei modi in cui si aggrega, si può ricondurre ad un piccolissimo numero di costituenti fondamentali: quark, leptoni e le tre forze con cui interagiscono: gravitazionale, forte ed elettro-debole. Innumerevoli osservazioni ed esperimenti realizzati negli ultimi 50 anni fino ad oggi hanno confermato la validità del cosiddetto Modello Standard, cioè del modello teorico che unifica la nostra conoscenza attuale sui costituenti della materia. L’ultimo tassello mancante, il bosone di Higgs, è stato scoperto al CERN nel 2012, ma molte domande rimangono ancora senza risposta: ad esempio, come mai le particelle del Modello hanno quelle masse e non altre?
Immagine: Simulazione di un plasma di quark e gluoni.
Dov'è finita l'antimateria?
Dagli esperimenti sappiamo che per ogni particella fondamentale esiste anche la sua antiparticella. Dal Big Bang in poi ci aspetteremmo di trovare perciò particelle e antiparticelle in quantità uguali. Ma se ci guardiamo intorno nel nostro universo non vediamo più traccia dell’antimateria: tutto l’universo che conosciamo è fatto sostanzialmente di materia. Il destino dell’antimateria è uno dei più grandi enigmi ancora da risolvere.
La spiegazione più probabile è che esso abbia a che fare con un piccolo squilibrio nel modo in cui materia e antimateria interagiscono. Un effetto del genere è stato in effetti osservato e recentemente misurato con precisione, ma purtroppo si è rivelato decisamente troppo piccolo per dare conto della scomparsa dell’antimateria. La ricerca continua.
Immagine: L’Universo in evoluzione come visto con il Hubble Space Telescope (credits: NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI))
Di cos'è composto l'universo?
Da osservazioni del cosmo sappiamo che solo circa il 5% dell’universo è costituito da materia a noi nota, mentre circa il 27% è composto dalla cosiddetta materia oscura. Questa materia, distribuita in tutto l’universo, viene chiamata così per il fatto che non interagisce con la luce, rimanendo così invisibile ai nostri occhi. La scoperta di questa materia così misteriosa ha portato alla formulazioni di molte ipotesi circa l’esistenza di ulteriori particelle finora sconosciute, ma nessuno di tali possibili nuovi protagonisti è stato trovato finora. Il rimanente 68% di ciò che esiste nel cosmo non è materia, ma una forma di energia che causa l’espansione sempre più veloce dell’universo. Siccome la natura di questa energia è ancora largamente all’oscuro, i fisici le hanno dato il nome di energia oscura. Immagine: Il bullet cluster, un cluster di galassie. In fucsia i raggi X emessi dal cluster, riprese dal telescopio Chandra, in blu la stima della distribuzione della massa del cluster usando l’effetto delle lenti gravitazionali.
Cosa ci arriva dallo spazio?
Solo dalla seconda metà del secolo scorso gli acceleratori, come l’LHC del CERN, sono diventati lo strumento fondamentale per la fisica delle particelle. Prima di all’ora, le indagini si basavano sullo studio del flusso delle particelle che ci arrivano in continuazione dallo spazio, i raggi cosmici. Tra le sorgenti conosciute dei raggi cosmici sono i buchi neri, le supernove e i nuclei galattici attivi. Ma ancora oggi l’origine di alcune di queste particelle provenienti dal cosmo che possono raggiungere velocità quasi luminali non è ancora conosciuta completamente. E così lo studio dei raggi cosmici rimane un campo di ricerca molto attiva che permette di studiare in dettaglio il comportamento delle strutture del nostro universo. Un altro tipo di segnale dal cosmo, previsto nel 1916 dalla teoria della relatività generale di Einstein e rivelato per la prima volta nel 2016, sono le onde gravitazionali. Questa scoperta ha segnato l’inizio di un nuovo campo di ricerca, dando il via all’astronomia multimessagera: l’osservazione e l’interpretazione coordinata di diversi tipi di segnali “messaggeri”, dalle onde gravitazionali alla radiazione elettromagnetica e le particelle.
Immagine: Visione artistica dei raggi cosmici che giungono sulla Terra.
