Perché il nostro universo potrebbe essere sul filo del rasoio

Altro post sul Bosone di Higgs. Quanto segue non è il frutto del nostro lavoro.

Copia-incolliamo la traduzione del discorso fatto dal fisico del CERN Gian Giudice per TED. Per approfondire su TED invitiamo a visitare il loro sito: “TED is a nonprofit devoted to Ideas Worth Spreading”. La traduzione è a cura di Anna Cristiana Minoli.

Il discorso in inglese è qui.

http://www.ted.com/talks/gian_giudice_why_our_universe_might_exist_on_a_knife_edge.html

L'anno scorso, il quattro luglio, gli esperimenti al Large Hadron Collider hanno scoperto il bosone di Higgs. È stato un giorno storico. Non c'è dubbio che da ora in poi, il quattro di luglio verrà ricordato non come il giorno della Dichiarazione di Indipendenza, ma come il giorno della scoperta del Bosone di Higgs. Almeno qui al CERN.

 

Ma per me, la più grande sorpresa di quel giorno è stata l'assenza di grandi sorprese. Dal punto di vista di un fisico teorico, il bosone di Higgs è una spiegazione intelligente su come particelle elementari acquisiscano una massa, ma sembra una soluzione incompleta e poco soddisfacente. Troppe domande rimangono senza risposta. Il bosone di Higgs non condivide la bellezza, la simmetria, l'eleganza, del resto delle particelle elementari nel mondo. Per questo motivo, la maggior parte dei fisici teorici crede che il bosone di Higgs non sia tutto. Ci aspettavamo particelle nuove e fenomeni nuovi accanto al bosone di Higgs. Invece, finora i dati che ci vengono dal LHC non mostrano segnali della presenza di nuove particelle o fenomeni inattesi.

Certo, il verdetto non è definitivo. Nel 2015, il LHC raddoppierà l'energia dei protoni in collisione, e queste collisioni più potenti ci permetteranno di esplorare ulteriormente il mondo delle particelle, e certamente impareremo molto di più.

Ma per il momento, visto che non abbiamo trovato evidenze della presenza di nuovi fenomeni, supponiamo che le particelle che conosciamo oggi, compreso il bosone di Higgs, siano le uniche particelle elementari in natura, anche ad energie molto più potenti di quelle che abbiamo esplorato fino ad ora. Vediamo dove ci portano queste ipotesi. Scopriremo un risultato sorprendente e intrigante sul nostro universo, e per spiegare il mio punto, vi racconterò cos'è il bosone di Higgs. Per fare questo, dobbiamo tornare a un decimo di miliardo di secondo dopo il Big Bang. Secondo la teoria di Higgs, in quel momento, si è verificato nell'universo un evento incredibile. Lo spazio-tempo ha subito una fase di transizione. È stata una cosa molto simile alla fase di transizione che si verifica quando l'acqua si trasforma in ghiaccio al di sotto dello zero. Ma nel nostro caso, la fase di transizione non è un cambiamento del modo in cui le molecole sono disposte all'interno dei materiali, si tratta di un cambiamento interno al tessuto dello spazio-tempo.

Durante questa fase di transizione, lo spazio vuoto si è riempito con una sostanza che ora chiamiamo campo di Higgs. Questa sostanza potrebbe sembrarci invisibile, ma ha una realtà fisica. È continuamente intorno a noi, proprio come l'aria che respiriamo in questa stanza. E alcune particelle elementari interagiscono con questa sostanza, acquisendo energia con questo processo. L'energia intrinseca è quella che chiamiamo la massa della particella. Scoprendo il bosone di Higgs, il LHC ha provato definitivamente che questa sostanza è reale, perché è la roba di cui è fatto il bosone di Higgs. In poche parole, questa è l'essenza della storia di Higgs.

Ma questa storia è molto più interessante. Studiando la teoria di Higgs, i fisici teorici hanno scoperto, non attraverso un esperimento ma con la forza della matematica, che il campo di Higgs non esiste necessariamente solo nella forma che osserviamo oggi. Proprio come la materia può essere liquida o solida, il campo di Higgs, la sostanza che riempie lo spazio-tempo, può esistere in due stati. Oltre al noto stato di Higgs, può esserci un secondo stato in cui il campo di Higgs è miliardi di miliardi di volte più denso di quello che osserviamo oggi, e la sola esistenza di un altro stato del campo di Higgs pone un potenziale problema. Questo perché, secondo le leggi della meccanica quantistica, è possibile avere transizione tra i due stati, anche in presenza di una barriera di energia che separa i due stati, Il fenomeno è giustamente denominato, effetto tunnel. A causa dell'effetto tunnel, potrei sparire da questa stanza e riapparire in quella accanto, praticamente attraversando il muro. Ma non vi aspettate che lo faccia di fronte a voi, perché la probabilità di poter attraversare il muro è ridicolmente bassa. Dovreste aspettare molto a lungo prima che accada, ma credetemi, l'effetto tunnel è un fenomeno reale, ed è stato osservato in molti sistemi. Per esempio, un diodo a effetto tunnel, un componente usato in elettronica, funziona grazie alle meraviglie dell'effetto tunnel.

Ma torniamo al campo di Higgs. Se esiste lo stato di Higgs ultradenso, allora, per via del tunnel quantistico, potrebbe apparire improvvisamente una bolla di questo stato in un certo punto dell'universo, in un certo momento, ed è simile a quello che accade quando bollite l'acqua. Bolle di vapore contenute nell'acqua, si espandono, trasformano il liquido in gas. Allo stesso modo, una bolla dello stato di Higgs ultradenso potrebbe nascere a causa dell'effetto tunnel La bolla si espanderebbe alla velocità della luce, invadendo tutto lo spazio, e trasformando il campo di Higgs dallo stato che ci è familiare in un nuovo stato.

È un problema? Sì, è un grosso problema. Potremmo non rendercene conto nella vita quotidiana ma l'intensità del campo di Higgs è critica per la struttura della materia. Se il campo di Higgs fosse solo leggermente più intenso, vedremmo atomi restringersi, neutroni decadere all'interno di nuclei atomici, nuclei disintegrarsi, e l'idrogeno sarebbe l'unico possibile elemento chimico dell'universo. Il campo di Higgs, nello stato di Higgs ultradenso, non è leggermente più intenso di oggi, ma miliardi di volte più intenso. Se lo spazio-tempo fosse pieno di questo stato di Higgs, tutta la materia atomica crollerebbe. Non esisterebbe nessuna struttura molecolare, niente vita.

Quindi mi chiedo, è possibile che in futuro, il campo di Higgs subisca una fase di transizione e attraverso l'effetto tunnel, si trasformi in questo odioso stato ultradenso? In altre parole, mi chiedo, qual è il destino del campo di Higgs nel nostro universo? L'ingrediente critico necessario per rispondere a questa domanda è la massa del bosone di Higgs. Esperimenti al LHC hanno scoperto che la massa del bosone di Higgs è circa 126 GeV. È minuscolo espresso in unità che ci sono familiari, perché equivale a qualcosa come 10 alla meno 22 grammi, ma è enorme in termini di unità di particelle fisiche, perché equivale al peso di un'intera molecola di un componente del DNA.

Armati di questa informazione del LHC, insieme ad alcuni colleghi qui al CERN, abbiamo calcolato la probabilità che il nostro universo possa passare allo stato di Higgs ultradenso, attraverso l'effetto tunnel e abbiamo scoperto un risultato molto intrigante. I nostri calcoli hanno mostrato che il valore misurato della massa del bosone di Higgs è molto particolare. Ha il valore esatto che serve all'universo a rimanere in una situazione instabile. Il campo di Higgs è in una situazione vacillante che è durata fino ad oggi, ma che alla fine crollerà. Secondo questi calcoli, siamo come campeggiatori che accidentalmente piantano la tenda sul bordo di un precipizio. E alla fine, il campo di Higgs subirà una fase di transizione e la materia si ripiegherà su se stessa.

È così che sparirà l'umanità? Non credo. I nostri calcoli mostrano che l'effetto tunnel del campo di Higgs non si verificherà nei prossimi 10 a 100 anni, ed è un periodo lungo. È anche più lungo del tempo che serve all'Italia per formare un governo stabile.

(Risate)

Ciò nonostante, non ci saremo più da un pezzo. In circa cinque miliardi di anni, il nostro sole diventerà un gigante rosso, grande quanto l'orbita della Terra, e la nostra Terra sarà finita. Tra cento miliardi di anni, se l'energia oscura continuerà ad alimentare l'espansione dello spazio al ritmo attuale, non riuscirete a vedere più in là delle vostra dita, perché tutto intorno a voi si espande a un ritmo più veloce della velocità della luce. Quindi è molto improbabile che ci saremo ancora per vedere il campo di Higgs crollare.

Ma il motivo per cui mi interessa la transizione del campo di Higgs è che voglio porre una domanda: perché la massa del bosone di Higgs è così speciale? Perché è giusto tenere l'universo sull'orlo di una fase di transizione? I fisici teorici si fanno sempre domande con il "perché". I fisici teorici sono sempre interessati al perché un fenomeno funziona in un determinato modo, più che al funzionamento stesso del fenomeno. Crediamo che queste domande "perché" possano darci indicazioni sui principi fondamentali di funzionamento della natura. E infatti, una possibile risposta alla mia domanda apre letteralmente nuovi universi. Si è pensato che il nostro universo sia una bolla in un multiverso saponoso fatto di una miriade di bolle, in cui ogni bolla è un universo diverso con diverse costanti fondamentali e diverse leggi fisiche. In questo contesto, si può solo parlare della probabilità di trovare un certo valore della massa di Higgs. La chiave del mistero potrebbe essere nelle proprietà statistiche del multiverso. Sarebbe come quello che si verifica con le dune di sabbia su una spiaggia. In linea di principio, potete immaginare di trovare dune di sabbia di qualunque inclinazione su una spiaggia, eppure, l'inclinazione delle dune di sabbia sono tipicamente intorno ai 30, 35 gradi. Il motivo è semplice: perché il vento soffia sulla sabbia, la gravità la fa cadere. Di conseguenza, la grande maggioranza delle dune di sabbia ha angoli di inclinazione intorno al valore critico: prossime al crollo. Una cosa simile potrebbe accadere per la massa del bosone di Higgs nel multiverso. Nella maggior parte degli universi a bolle, la massa di Higgs potrebbe aggirarsi intorno al valore critico, prossimo al collasso cosmico del campo di Higgs, a causa di due effetti che competono fra loro, proprio come nel caso della sabbia.

La mia storia non ha una fine, perché ancora non sappiamo la fine della storia. La scienza fa progressi, e per risolvere il mistero, abbiamo bisogno di più dati, e con un po' di fortuna, il LHC aggiungerà presto nuove indicazioni a questa storia. Solo un numero, la massa del bosone di Higgs, eppure, da questo numero impariamo così tanto. Ho iniziato da un'ipotesi: che le particelle note sono tutto quello che c'è nell'universo, anche oltre i domini esplorati finora. Da questo, abbiamo scoperto che il campo di Higgs che permea lo spazio-tempo potrebbe essere sull'orlo di un collasso cosmico, pronto a crollare. Abbiamo scoperto che potrebbe essere l'indizio che il nostro universo è solo un granello di sabbia di una spiaggia gigantesca, il multiverso.

Ma non so se le mie ipotesi sono vere. La fisica funziona così: un singolo dato può indicarci la strada di nuove scoperte sull'universo o può spedirci in un vicolo cieco. Ma qualunque sia, di una cosa sono sicuro: il viaggio sarà pieno di sorprese.

Grazie.