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24/12/14

Testimoni invisibili e silenziosi *

Questo articolo è stato inserito nella sezione d'archivio "Radiazioni di fondo: quante sono?"

 

In un modo e nell’altro, i nostri tentativi di capire cosa sia successo 13.7 miliardi di anni fa sono costretti a fermarsi proprio quando si è in vista del traguardo. Cosa sono, infatti, 380 000 rispetto a 13.7 miliardi di anni? Pochissimo e tantissimo! L’uomo riesce ad avere informazioni su qualcosa solo quando riceve la “luce” di quel qualcosa (meglio dire energia elettromagnetica, ossia anche luce non visibile). La prima luce dell’Universo che riesce a raggiungerci si riferisce proprio a quei 380 000 anni. Prima sembra che ci sia poco da fare: nessuna luce nessuna informazione!

Non è che subito dopo l’anno 380 000 DBB (Dopo Big Bang ), la faccenda si sia “chiarita” del tutto. E’ scesa la nebbia e la luce è nuovamente sparita, ma esistevano gli atomi di idrogeno e prima o poi riusciremo a “vedere” anche loro, sebbene così statici e pigri, attraverso il tipo di rotazione degli elettroni (la famosa riga a 21 cm). Poi sono nate le stelle e tutto è diventato … facile.

Ma torniamo indietro, all’epoca che va da 0 a 380 000 anni. L’Universo era una zuppa densa e caldissima e gli elettroni si agitavano come pazzi, bloccando qualsiasi velleità dei fotoni di andare verso il futuro (chiedete a Feynman per sapere i particolari di queste lotte). Prima era perfino peggio, c’erano solo quelle particelle strane che avrebbero poi deciso di costruire i protoni e i neutroni. Insomma, un caos ancora peggiore per i poveri fotoni.

Non ci resta, allora, che cercare di capire se quelle esperienze così esotiche delle prime fasi misteriose abbiano lasciato dei segni nella prima luce che ha potuto raggiungerci. A volte sembra di sì, a volte sembra di no e la Scienza sta ancora cercando di avere le idee chiare a riguardo. Non è semplice, però, capire se una qualche particolarità della prima luce sia veramente dovuta a ciò che è successo prima o se, invece, si è aggiunta dopo. Bene o male questa prima luce, prima di arrivare a noi, ha dovuto pur sempre viaggiare per 13.7 miliardi anni (meno 380 000 anni), con tutti gli incontri e i problemi di un viaggio così lungo (non ultima l’espansione dell’Universo che ha indebolito sempre più l’energia di quei primi avventurosi fotoni “liberi”). Inoltre, purtroppo, i fotoni danno molta confidenza a tutto ciò che incontrano e sono molto “ciarlieri”.

Sarebbe molto meglio fare la conoscenza con qualcosa o qualcuno che provenga veramente dal periodo antecedente la prima luce, ossia che abbia vissuto in prima persona quella fase così breve e così decisiva. Simulare in laboratorio è bellissimo, ma le particelle che nascono e vivono, solo per brevissimi istanti, sono essenzialmente “virtuali”: vengono create oggi in modo “simile” a una volta, ma sono solo delle copie e chissà quanto veramente fedeli. Un sogno irrealizzabile, allora?  Sarebbe ancora possibile  trovare nello Spazio un  qualcosa o un qualcuno che abbia veramente vissuto tutte quelle avventure e che le possa ancora raccontare?

La risposta è decisamente SI. Un SI enorme, dato che noi stessi, intesi come esseri materiali, siamo continuamente attraversati da questi misteriosi viaggiatori: i neutrini! In questo momento, miliardi e miliardi di questi testimoni silenziosi e invisibili ci stanno passando da parte a parte. Vi stupite? Nemmeno per sogno. Pensate che un neutrino potrebbe attraversare, senza colpo ferire, uno strato di ferro spesso un anno luce. Niente male, vero? Figuratevi cosa rappresentano per loro la Terra o un corpo umano.

Una caratteristica meravigliosa e terribile nello stesso tempo. Ce ne sono moltissimi, quasi niente riesce a fermarli, ma hanno la cattiva abitudine di essere invisibili e … silenziosi. Molti di loro provengono proprio dall’Universo neonato. Sono nati nei primi istanti e sono riusciti ad attraversare quella zuppa così spessa e densa, ma fanno di tutto per non farsi riconoscere. Proprio il contrario di quanto avviene al giorno d’oggi, dove chiunque sembra vivere solo per mettersi in mostra, anche dicendo cose che non capisce e non conosce.

Non solo, però. I neutrini si producono un po’ ovunque, durante i giochi che avvengono tra le particelle dell’atomo. Li fabbrica il Sole, le supernove e molti altri oggetti e fenomeni. Come riconoscere quelli primigeni e come farli parlare?

Ricordo benissimo quando sono stato in visita al laboratorio del Gran Sasso, tanti anni fa… Apparecchiature mostruosamente grandi in perenne attesa che qualche neutrino avesse abbastanza energia -o fortuna- per impattare, in modo significativo, con una qualche particella in modo da dare un segnale. Uno strumento coperto da chilometri di roccia, per essere sicuri che le uniche particelle che potevano attraversarli fossero proprio i neutrini. E mi ricordo benissimo quando l’esplosione di una supernova nella Nube di Magellano aveva permesso di rivelarne alcuni che si contavano sulle dita di una mano o poco di più. E il conteggio, all’inizio, non tornava tra i “nostri" neutrini e quelli giapponesi.

Oggi sono stati fatti passi da giganti e i metodi si sono raffinati, ma i risultati non sono cambiati di molto. E’stata scoperta, però, una caratteristica molto importante di queste particelle così elusive (prima si pensava che non avessero massa, oggi si è praticamente sicuri che una piccola piccola ce l’abbiano). Essi sono affezionati a un isotopo dell’idrogeno, il trizio. Un atomo molto “pesante” dato che contiene ben due neutroni. Troppo pesante per restare tranquillo e decade velocemente. In altre parole, un elemento radioattivo. I neutrini, così schizzinosi nelle loro amicizie, si fanno catturare da questo isotopo  e aggiungono un infinitesimo “lampo” di energia all’elettrone che è emesso durante il decadimento dell’atomo. Non entriamo nei particolari di ciò che dovrebbe succedere. Basterebbe, però, usare sapientemente i diagrammi della QED che sono capaci di essere applicati a tutto ciò che vede gli elettroni & co. come primi attori.

Tuttavia, non illudiamoci: l’energia che si libera, quando chi sta lavorando è un neutrino primigenio, è un qualcosa di incredibilmente piccolo e ci vogliono occhi e orecchie sensibilissimi. Bisogna captare quel di più di energia che gli elettroni  mostrano. Insomma, una precisione nelle misure che ha dell’incredibile. Qualcosa come cercare di sentire il battito di un cuore durante una finale di coppa dei campioni di calcio, con uno stadio urlante e pieno all’inverosimile.

Ma a Princeton si sta costruendo PTOLEMY (Princeton Tritium Observatory for Light, Early universe Massive neutrino Yeld”. Prima di aggiungere qualche sua caratteristica, fatemi commentare la sua sigla.

Qualcuno dirà: “Ma come? Dare il nome di Tolomeo a una “macchina” straordinaria capace di risolvere i problemi immensi della Cosmologia? Proprio lui che aveva formulato un assurdo Universo geocentrico?”. Bene, è utile ricordare che Tolomeo, sulla base di dati osservativi visuali, era riuscito a costruire un sistema veramente geniale. E’ come se vi chiedessi di dimostrare un qualcosa  di abbastanza ovvio, teoricamente, ma considerando come assolutamente vero un punto di partenza completamente sbagliato. “Dimostrami che quel filo d’erba è rosso, malgrado sia chiaramente verde!”. Ecco, qualcosa del genere.

Se pensiamo che oggi sembra necessario usare un calcolatore per scoprire il moto apparente dei pianeti, quando Tolomeo non solo c’era già arrivato, ma era anche riuscito a spiegarlo partendo da ipotesi del tutto errate… viene quasi da ridere (o piangere). Oggi abbiamo i dati e le ipotesi giuste, ma ancora non riusciamo a capirlo da soli … Insomma, Tolomeo è stato un vero genio, costretto mentalmente a dimostrare l’indimostrabile. Eppure c’era riuscito duemila anni fa con i suoi complicatissimi epicicli, una specie di foglio di carta e una specie di matita.

Torniamo al nostro neutrino e al suo rilevatore... e stendiamo un velo pietoso.

Avere il trizio non basta, ovviamente. Bisogna permettere all’elettrone di essere “letto” o “ascoltato”  nel modo migliore. E’ fondamentale che si trovi completamente a suo agio nel produrre il "surplus" di energia previsto. In poche parole, ci vuole una precisione comparabile a quella necessaria alla determinazione della  massa del neutrino, un qualcosa che fino a poco tempo fa si pensava fosse nulla. Bisogna, perciò, creare condizioni al contorno perfette. Innanzitutto una temperatura che sia più bassa perfino di quella dell’Universo “vuoto”, in modo da applicare le regole della QED al moto dell’elettrone.

Pensiamo, infatti, che i neutrini che ci interessano hanno un’energia veramente ridicola che si trasferisce in qualche modo agli elettroni. La loro lunghezza d’onda (sono pur sempre particelle quantistiche) è stata “stirata” in modo terribile dall’espansione dell’Universo. Qualche "numero" a riguardo. Il trizio deve essere depositato su una superficie sottilissima (il nanomateriale grafene) di spessore pari a quella di un atomo di carbonio. Bisogna essere sicuri che l’elettrone che viene eccitato sia libero di muoversi nel vuoto e non dentro qualche materiale. La temperatura deve scendere fino a circa 100 millikelvin, qualcosa venti volte più freddo dello spazio profondo o -se preferite- un decimo di grado sopra lo zero assoluto. Queste sono le condizioni migliori per avere una superconduttività, ossia far muovere liberamente, senza alcuna resistenza, gli elettroni. Guai a disturbarli! Solo così si potranno misurare variazioni di energia riconducibili a quelle causate da un neutrino veramente “antico”.

Al momento si è in una fase di prototipo, ma le speranze sono tante. Se i testimoni così numerosi e così antichi avranno voglia di parlare con i loro amici elettroni e se la loro traduzione sarà udibile, le prime fasi del Cosmo potranno essere raccontate da chi vi ha veramente partecipato.

Mi raccomando, però… il massimo silenzio! Gli elettroni sussurrano soltanto e solo il nostro grande amico Feynman è riuscito a codificare il loro linguaggio. Auguriamo tutti assieme un Buon Anno a Tolomeo e pensiamo a tutti quei miliardi di mattoncini primordiali che ci stanno attraversando nella nostra completa indifferenza.

Testimoni silenziosi e elusivi, ma Richard è pronto a colpire ancora!

decadimento

 

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10 commenti

  1. Alvermag

    Se ho ben capito, il tritio viene posto alla minima energia possibile o giù di lì, ad una temperatura prossima allo zero assoluto. E fin qui ... ci siamo.

    Un neutrino "fossile", risalente ai primordi dell'universo, colpisce l'atomo di tritio e viene assorbito dall'unico elettrone. L'energia dell'elettrone aumenta di conseguenza ma, e questo è l'aspetto importante, l'energia "portata" dal neutrino fossile è molto bassa perchè attenuata dall'espansione dell'universo, durata per ben 13,7 mld di anni; questo distingue il neutrino fossile dagli altri in giro per il cosmo.
    Quando l'atomo decade (decadimento beta) emette una particella beta (l'elettrone) che possiederà un'energia leggermente superiore a quella attesa.

    Ora, visto che l'energia dell'elettrone legato è quantizzata e quindi strettamente determinata, mi chiedo perchè il surplus di energia non venga subito riemesso in quanto incompatibile con uno stato eccitato dell'elettrone. A meno che quel surplus di energia non corrisponda esattamente ad un salto quantico dell'elettrone! E' così o c'è dell'altro?

    Scusa Enzo, non vorrei rovinarti il Natale; mi rendo conto che si tratta di una domanda che entra nel dettaglio della questione ... insomma, se mi puoi chiarire la questione, ben venga!

    Di nuovo Buon Natale.

  2. caro Alvy,
    nella nota non si dice esattamente come l'energia del neutrino si riversi sull'elettrone. Dice che lo fa mentre decade, ossia mentre si origina dal neutrone che si trasforma in protone, elettrone e antineutrino. L'articolo originale non è ancora uscito e questa è solo una nota dell'istituto... Non so se l'incontro avviene prima o durante o quando...

  3. ops... dimenticavo: L'elettrone che ne risente non è quello originario, ma quello emesso durante il decadimento...

  4. Alvermag

    Se ne dovrebbe allora dedurre che l'"impatto" del neutrino fossile stimoli il decadimento del tritio in elio. Ma così non sarebbe modificato il tempo di dimezzamento che dovrebbe essere invece indipendente dalle condizioni al contorno?

    Voglio dire: immaginiamo di avere un quintale di tritio e che, nello stesso istante, ciascun atomo sia colpito da un neutrino fossile: si dovrebbe avere il decadimento contemporaneo di tutti gli atomi in elio, con tanti saluti al tempo di dimezzamento! :roll:

    Mah, aspettiamo l'articolo originale ... per oggi è meglio pensare al torrone! :lol:

  5. perfettamente d'accordo sul tempo di dimezzamento (il torrone non mi piace...) e nota l'aggiunta sul ... BUCO!

  6. Mario Fiori

    Enzo chissà perché proprio il Tizio, forse proprio perché Idrogeno ...pesante.
    Comunque Buon Lavoro a quella che ormai è diventata una vera e propria Polizia Scientifica del Cosmo che cerca tracce così sfuggenti e così importanti.
    Ops mi accorgo che volevo dire Trizio, altrimenti poi mi chiedono se c'è anche un isotopo che si chiama...Caio. :mrgreen:
    Sono d'accordo con te Enzo per il torrone, c'è di meglio , e poi con questo BUCO Enzo ora mi stò talmente arrovellando che me lo sogno anche ad occhi aperti...meglio i buchi del formaggio :mrgreen:
    Buon Natale a Tutti.

  7. Sì Mario,
    ha la prerogativa di mostrare il decadimento beta con creazione di un elettrone da un neutrone...
    Un abbraccio a te e a tutti!

  8. Gianni

    Ho letto in qualche posto che la massa dei quark che formano un protone/neutrone è solo l' 1% ,e che si pensa che la massa mancante sia l'energia dei gluoni. I quali appaiono per scomparire come le particelle virtuali.È una teoria o ha un reale fondamento?

  9. caro Gianni,
    in MQ la massa è qualcosa di molto variabile e dipende se la particella viene considerata libera o legata. D'altra parte si parla in termini di energia. Ne segue che all'interno del protone non ha nemmeno troppo senso dividere massa da energia di legame dei gluoni. Se consideri la massa libera dei quark, trovi un valore piccolissimo che potrebbe far pensare a massa mancante, ma se consideri i quark legati, la loro massa è ben diversa e tiene già conto dei legami a cui sono soggetti... Insomma, il discorso è molto più articolato e complesso e non può essere semplificato con la somma delle masse libere.

  10. Gianni

    Ti ringrazio Vincenzo.

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