Nov 25

Studiando la zuppa primordiale ***

Cercherò di usare parole ed esempi semplicissimi. Sarà più facile capire che quanto sto per dirvi si collega perfettamente alla descrizione della MQ.

Sappiamo abbastanza bene che il passaggio da una “zuppa” composta da particelle subatomiche a una popolazione di particelle più complesse e stabili si deve innanzitutto all’abbassamento della temperatura e alla diminuzione della densità. Per avere un esempio veramente tangibile di questo tipo di trasformazione, pensiamo all’acqua. Basandosi sulla temperatura e sulla densità si riesce a studiare molto bene la trasformazione da ghiaccio a liquido e a vapore. Questo tipo di diagramma prende il nome di diagramma di fase. Esso descrive il passaggio dalla fase solida a quella liquida a quella gassosa, determinando chiare e nette transizioni di fase.

diagramma di fase dell'acqua
Figura 1. Il diagramma di fase dell’acqua, in cui si nota il celebre punto triplo, dove essa può trovarsi sia nella fase liquida, che in quella solida e gassosa (vapore).

Ciò che si vorrebbe costruire, allora, sarebbe qualcosa di analogo per il brodo delle particelle elementari, ossia un suo diagramma di fase in cui, al variare di temperatura e di pressione, si possa stabilire con che tipo di materia (o di fase di materia) si abbia a che fare. Ovviamente il brodo primordiale non è acqua e l’analogia con quest’ultima termina ancora prima di cominciare. In parole più tecniche, si vuole vedere come i gluoni e i quark si siano trasformati nei protoni e nei neutroni che formano i nuclei atomici (ossia, la materia che conosciamo molto bene) al variare della temperatura e della densità.

Per fare lo stesso con l’acqua basta prendere un pezzo di ghiaccio dal “freezer” ed esporlo all’aria in una giornata estiva. Descrivere il diagramma di fase è un gioco da bambini: basta un termometro e poco di più. Ben diversa è la situazione dei quark e dei gluoni. Per ottenere il cambiamento cercato bisogna usare delle apparecchiature molto più costose e complicate: gli acceleratori di particelle, come quello del CERN o il RHIC americano, il cui nome la dice già lunga (Relativistic Heavy Ion Collider), dato che si traduce in “strumento per far collidere ioni pesanti a velocità vicine a quella della luce”.

In realtà, il diagramma di fase può andare nei due versi: dal ghiaccio all’acqua o dall’acqua al ghiaccio. Analogamente si può fare per il brodo primordiale. E’, infatti, molto più “facile” partire dalla materia nucleare che abbiamo a disposizione e costruire le particelle subatomiche primordiali. Proprio questo avviene durante le collisioni tra i protoni e/o i loro pesanti amici. Durante lo scontro a velocità elevatissime si produce un’energia che simula perfettamente (o quasi) quella esistente nel momento del Big Bang e/o subito dopo. In queste condizioni si ci aspetta di trasformare le particelle più grandi in quelle più piccole e precedenti, ossia di “vedere” le transizioni di fase (vi ricordate che sono proprio queste che costituiscono i gradini verso l’Universo moderno con la sua materia e le sue forze). Perfetto! Basta, allora, inserire le varie trasformazioni che si “vedono” in un diagramma temperatura-densità, come viene fatto per l’acqua. Purtroppo, la faccenda non è così semplice.

Coloro che eseguono le collisioni tra particelle pesanti non riescono a vedere veramente le particelle che ne derivano, ma solo le fluttuazioni delle abbondanze di ciò che si ottiene dopo lo scontro. Ad esempio, più protoni che antiprotoni o più particelle positive che negative, e via dicendo. In altre parole, non si vedono le particelle, ma i loro effetti.

Tuttavia, alla fine dell’esperimento, si è praticamente sicuri di avere effettivamente fuso il nostro blocco di ghiaccio e di averlo trasformato nel liquido primordiale formato da quark e gluoni. Proprio ciò che costituiva l’Universo di 13.8 miliardi di anni fa. Sicuramente, ad esempio, partendo da quelle condizioni i protoni e gli antiprotoni devono essere prodotti in quantità praticamente uguali. Un attimo dopo, però, quando il caldo diminuisce, i primi devono prevalere sui secondi. Tutte situazioni che sono “sicuramente” contenute negli esperimenti.

Se si producono milioni di collisioni si può avere una visione “statisticamente valida” di ciò che succede. E ciò riesce a essere fatto analizzando i prodotti delle collisioni, studiandone (come già detto) le fluttuazioni. Dov’è, allora, il problema? Facile a dirsi: la temperatura e la pressione non possono essere misurate punto a punto, o, ancora meglio, durante le fluttuazioni che indicano le transizioni di fase. Abbiamo tutti i dati a disposizione, ma non sappiamo costruire il diagramma temperatura-densità. Un bel guaio.

A questo punto entrano in gioco i supercomputer. Il procedimento che devono eseguire è essenzialmente molto “banale” e “stupido” (i computer sono stupidi e fanno solo quello che gli diciamo di fare noi… sono, però, molto più veloci). Come quando si cerca di trovare la combinazione di una cassaforte che ha tanti numeri e lettere da scoprire, è impensabile tentare di farlo con i tempi dell’uomo: ci vorrebbero migliaia e migliaia di anni e forse anche un po’ di fortuna. I supercomputer invece, non hanno bisogno di strani algoritmi logici o codici particolari. Loro possono tranquillamente provare tutte le possibili combinazioni nel giro di tempi relativamente veloci.

Cosa si può fare allora per il diagramma di fase relativo alle trasformazioni che sono avvenute all’origine dell’Universo e che in qualche modo riusciamo a “vedere”? Basta costruire un modello matematico che leghi tutte le possibili interazioni tra quark e gluoni (solo loro erano a disposizione all’inizio) in funzione della temperatura e della densità. Questi modelli fanno parte della cromodinamica quantistica (QCD, magari un giorno cercheremo di parlarne più a fondo).

Le variabili all’interno delle equazioni della QCD sono molte e solo i supercomputer possono eseguire i calcoli in tempi rapidi. In parole semplicissime, i computer guardano alle interazioni di gluoni e quark inseriti in un reticolo matematico a quattro dimensioni che tiene conto sia dello spazio che del tempo. Il reticolo consiste di circa 300 000 singoli punti e per ognuno di questi punti bisogna “aggiustare” 48 variabili, necessarie a caratterizzare una configurazione specifica dell’interazione tra quark e gluoni.

Il computer usa il ben noto metodo Monte Carlo, capace di generare numeri del tutto casuali (da cui il nome, essendo simile ai risultati che si ottengono lanciando dadi “non truccati”). Questi numeri forniscono i valori da attribuire alle variabili, tra cui ovviamente temperature e densità. Ogni gruppo di variabili dà luogo a una certa configurazione indicata come la più probabile. Pensate che la “macchina” calcola 10 000 configurazioni altamente probabili per ogni valore della temperatura.

Alla fine, si guarda qual è quella più simile a ciò che si è ottenuto nelle varie fasi dell’esperimento reale, mediante le collisioni a velocità relativistica. Questa soluzione ci dice quale temperatura e pressione si possono associare a un certo punto critico della trasformazione da particelle elementari a particelle pesanti. Per essere sicuri della probabilità ottenuta, caso per caso, si usano anche computer diversi, in modo da evitare eventuali errori sistematici. Attraverso questa incredibile serie di calcoli si costruisce lentamente il diagramma di fase.

diagramma di fase nucleare
Figura 2. Il diagramma di fase nucleare. Il diagramma mostra le differenti fasi della materia nucleare che i fisici descrivono in un ampio intervallo di temperatura e densità. Le linee mostrate, però, sono solo un’ “ipotesi” o -meglio- una congettura. Gli esperimenti hanno solo determinato fluttuazioni che sembrano confermare la posizione delle linee del diagramma. I supercomputer potranno aiutare enormemente nella descrizione accurata del diagramma. I risultati del RHIC potrebbero identificare la posizione del cerchio giallo in cui è previsto il punto critico dove la transizione passa da un andamento continuo a uno discontinuo, un po’ come capita nel diagramma di fase dell’acqua (vedi Fig. 1). Fonte: Brookhaven National Laboratory.

L’esistenza di punti critici è di importanza fondamentale anche per confermare l’esistenza di fasi “esotiche” della materia nucleare all’interno di oggetti supercompatti come le stelle di neutroni. Esse, in fondo, simulano abbastanza bene le condizioni esistenti all’inizio dell’Universo, quando esso era compreso in un volume praticamente nullo.

La situazione attuale vede una continua crescita delle potenzialità dei supercomputer e un aumento degli esperimenti di collisione a intervalli di energia sempre meglio definiti.

In mancanza di una osservazione diretta del Big Bang (ci sarà sempre precluso basandoci sulla tecnologia e le conoscenza attuali), i supercomputer e gli esperimenti sono l’unica possibilità di studiare i primi attimi di vita del Cosmo. Ovviamente, senza l’intelligenza umana, esperimenti e computer servono a ben poco… Oltre che fondi per migliorare la strumentazione (a volte più facile da ottenere, Curiosity insegna…) è necessario coltivare la ricerca pura e permetterle di lavorare senza stress finanziari e/o temporali e/o di visibilità a tutti i costi.

Speriamo in bene…

18 commenti

  1. Mario Fiori

    Speriamo in bene che gli acceleratori e i supercomputer funzionino al meglio e che si abbia anche un pochino di fortuna , caro Enzo, perchè se dobbiamo basarci sui finanziamenti più ampi in questo settore mi dovrei esprimere come un noto attore toscano :" la veggo buia".

  2. dai Mario,
    non far fare a me la parte dell'ottimista! Sei sempre tu che mi tiri sù... :mrgreen:  

  3. davide1334

    enzo,cosa intendi con le fasi "esotiche" della materia nucleare all'interno delle stelle di neutroni? in cosa consisterebbero?

  4. foscoul

    La materia esotica è materia composta prevalentemente da particelle effimere, ovvero che decadono dopo poco tempo dalla loro produzione. Studiate attraverso i raggi cosmici, possono anche essere prodotte in laboratorio (ad esempio negli esperimenti condotti negli acceleratori). Sono composte principalmente da muonitau e dai tre tipi di neutrini e tutta una serie di particelle strane, ovvero particelle composte da quark di tipo strangecharmbeautytop.
    Con l'aggettivo "esotico" si indicano in fisica spesso anche particelle, campi o più in generale condizioni e oggetti che non sono previste dalla teoria comunemente accettata nel campo della fisica a cui si fa riferimento, e richiederebbero una modificazione di essa. Il termine in genere non viene utilizzato in modo univoco.

  5. alexander

    Se il problema si riduce "solamente" ad un calcolo di probabilità sembrerebbe che l'umanità sia vicina ad un grandissimo passo in avanti.....
    Leggendo su alcune riviste molto comuni (ma che purtroppo ormai hanno perso molta della loro credibilità e  quindi ormai tendo a prendere con le pinze quello che riportano) si dice che siamo veramente ad un passo dalla creazione dei computer quantistici (anzi si dice che esistano già alcuni prototipi) in cui lo sfruttamento delle leggi della meccanica quantistica in termini di sovrapposizioni di stati e entanglement permetterebbe di ottenere capacità di calcoli probabilistici eccezionalmente più potenti e rapidi degli attuali supercomputer.

    Chissà, magari tra un paio di decenni avremo supercomputer che simulano in pochi giorni la storia, dall'inizio alla fine, di migliaia di ipotetici universi mettendo alla "frusta" tutte le nostre teorie e magari indirizzandoci verso un cammino che porta alla teoria ultima.

    Ovviamente però ci dovranno sempre essere menti umane altrettanto sofisticate per saper interpretare tutti quei dati e capire verso che strada portano.

    Devo però dire  che non resisto ad una piccola provocazione ( :mrgreen: ), se magari tra 500 o 1000 anni creassimo un supercomputer talmente potente da simulare un universo in ogni suo piccolo particolare, questo presumibilmente creerebbe al suo interno tutta una serie di "sistemi probabilistici" molto simili alle funzioni d'onda illustrate da Enzo negli articoli sulla MQ.
    Allo stesso tempo un computer cosi potente sarebbe in grado di ricreare le interazioni che hanno dato impulso alla nascita della vita  generendo quindi delle vere e  proprie vite virtuali coscienti al suo interno che, interagendo sulle funzioni d'onda in qualità di ossevatori, renderebbero possibili i collassi delle stesse con l'obbiettivo finale di ottenere una simulazione sempre più sofisticata e verosimile della realtà e una sempre più accurata capacità  di predizioni degli eventi futuri, sia a  livello macroscopico che a livello microscopico (riducendo al minimo valore possibile l'incertezza legata alla probabilità e indeterminatezza della MQ).

    Certo che a quel punto, per chi vive dentro la simulazione, sarebbe veramente impossibile rendersi conto di vivere solo una vita virtuale.  8-O

    Chissà se anche noi siamo solo il frutto di una simulazione di qualche alieno o magari di un Dio che ha intenzione di creare un universo e  nella sua mente si sta semplicemente creando una simulazione per  verificare che tutta la creazione  proceda correttamente! :lol:
    Tanto per ritornare al vecchio articolo della MQ e Dio!   :lol:  

  6. caro Davide,
    sono situazioni relative a particelle che si trovano costrette a doversi avvicinare in modo superiore a quanto previsto per la materia normale. Ne capitano di tutti i colori. Ad esempio, in certi casi, vi è una specie di sovrapposizione di particelle su stati energetici diversi... Per definirle meglio bisognerebbe entrare più a fondo nella MQ, ma Red sembra farci attendere un po' troppo... Speriamo riesca a tornare attivo al più presto. In caso contrario, dopo la matematica proverò a occuparmene io... ma spero che Red abbia solo un momento un po' incas... to!

  7. caro Ale,
    sulla prima parte penso anch'io che si sia molto vicini. D'altra parte la MQ è già utilizzata in molti casi...
    Sulla seconda torniamo su un vecchio articolo che avevo pubblicato anni fa su una specie di realtà virtuale (non mi ricordo quanto tempo fa...). Hai voglio di cercarlo su astronomia.com? Così io posso andare avanti a scrivere... Grazie dell'aiuto!!!

  8. davide1334

    sono quei processi che "formerebbero" la famosa materia degenere? una specie di anticamera ai buchi neri?uno stato di compressione che si è fermato appena prima di "scomparire"ma che esce
    dalle nostre leggi della fisica? 

  9. sì, materia degenere, ma come tale ancora spiegabile con modelli fisici quantistici... Non per niente le stelle di neutroni rappresentano un laboratorio fantastico: sono già al di là della materia normale, ma sono ancora al di qua dell'annullamento dell'informazione dei buchi neri... Ah, poter andare al loro interno e vedere cosa succede veramente!!!!

  10. Mario Fiori

    A proposito Enzo riusciremo a capire finalmente perchèa quel punto la "cosiddetta" materia a prevalso sulla "cosiddetta" antimateria?Ho messo le virgolette perchè , a mio parere, anche l'altra sarebbe stata per noi materia se avesse prevalso e di conseguenza l'antimateria sarebbe stata l'opposto...oddio mi annodo. :roll:

  11. caro Mario,
    non è detto... in fondo è un modello che non può spiegare tutto. Può darsi di sì, però, se venisse imposta l'uguaglianza iniziale tra materia e antimateria. Però, la soluzione potrebbe dipendere da questa "forzatura" che è logica, ma...
    Ci annodiamo TUTTI!!!! 

  12. foscoul

    Gentile Enzo per quanto ho letto e riporto in parte in generale la materia esotica è materia composta prevalentemente da particelle effimere, ovvero che decadono dopo poco tempo dalla loro produzione. Studiate attraverso i raggi cosmici, possono anche essere prodotte in laboratorio (ad esempio negli esperimenti condotti negli acceleratori). Sono composte principalmente da muoni, tau e dai tre tipi di neutrini e tutta una serie di particelle strane, ovvero particelle composte da quark.Con l'aggettivo "esotico" si indicano in fisica spesso anche particelle, campi o più in generale condizioni e oggetti che non sono previste dalla teoria comunemente accettata nel campo della fisica a cui si fa riferimento, e richiederebbero una modificazione di essa. Il termine in genere non viene utilizzato in modo univoco, correggimi enzo se ho travisato qualcosa ma cerco solo di essere il più esaustivo possibile :roll:  

  13. dici bene Foscoul,
    io ero stato molto più nel vago...
    Prima o poi bisognerà parlarne più accuratamente :wink:  

  14. Andrea I.

    Enzo, forse é una domanda un po' stupida e banale....Ma come lo avvertono il calore le particelle?
    Insomma come "leggono" l'informazione temperatura?

  15. l'effetto dominante è il movimento, più o meno accelerato. Le particelle si fermano a 0 Kelvin.

  16. Andrea I.

    Grazie, quindi si "adeguano" al movimento delle particelle con cui vengono a contatto e che hanno un movimento +/- accelerato del loro?
    Adesso mi faccio una bella ricerchina sul come il quanto e il perché che la cosa mi incuriosisce :mrgreen:
     
     

  17. caro Andrea,
    l'energia termica è una forma di energia cinetica... tutto lì... :-D  

  18. Supermagoalex

    Sul discorso materia-antimateria, all'inizio dell'Universo esse erano presenti in uguali quantità.
    Sul perché abbia "vinto" la materia avevo posto la domanda al Prof. Bertolucci, Direttore del CERN (dunque possiamo dire uno dei maggiori esperti dell'argomento), e qua potete ascoltare la sua risposta: https://www.facebook.com/photo.php?v=10153328886745302
    Vi sono principalmente due ipotesi, una legata ad un discorso di simmetria ed una ai neutrini di Majorana, ma siamo ancora lontani da una risposta definitiva.
     

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