Assione si, assione no, assione fantasma

Allora: cerchiamo di farla semplice e, quindi, di vedere se a mia volta ci ho capito qualcosa.

Una delle quattro forze fondamentali della natura è l’interazione forte, ovvero quella forza che tiene uniti i quark all’interno di uno stesso protone o neutrone e che, su scala leggermente più grande, tiene assieme protoni e neutroni all’interno del nucleo di un atomo.

L’interazione forte è trattata dalla teoria quantistica dei campi, si rifà al modello standard ed è in particolare modellizzata dalla così detta (nome certamente suggestivo) cromodinamica quantistica (QKD).

La QKD descrive sostanzialmente l’interazione fra i vari quark. Me ne guardo bene dall’entrare nei dettagli della teoria, ma mi limito a sottolineare che secondo le sue equazioni vi è la possibilità che in alcune situazioni l’interazione nucleare forte possa violare due simmetrie: quella di carica (che garantisce l’equivalenza della legge fisica quando si coniughi lo scambio delle particelle con le corrispondenti antiparticelle) sia quella di parità (che garantisce l’equivalenza della legge fisica quando si invertono le coordinate spaziali della particella, come nel riflesso di uno specchio), in breve la simmetria CP.

Ora, tale variazione compare nel modello standard come un parametro indipendente (theta). Maggiore è il valore di tale parametro e maggiore sarebbe il dipolo elettrico del neutrone: cosa finora mai osservata. Pertanto nei vari modelli il valore di theta è sempre tenuto molto basso, prossimo a zero, per far contenta sia la QKD che le osservazioni sperimentali.

La domanda, ovviamente, nasce spontanea: cosa rende tale parametro così basso nella realtà? La teoria accetta che il parametro potrebbe sparire dalla QKD se almeno un quark avesse massa, nulla ma dato che tutte le osservazioni sperimentali dicono il contrario la questione rimane aperta, il parametro incluso nei modelli e la violazione della CP mai osservata.

Sembra, in effetti, un po’ una pezza.

Nel 1977 l’idea di due ricercatori fu quella di cambiare approccio. Peccei e Quinn proposero di associare un campo quantistico al parametro theta. Tale approccio risulta possibile solo aggiungendo una nuova simmetria al modello standard che deve venir spontaneamente violata. Cosa fattibile, in fondo si tratta di un modello che si può complicare a piacere purché rispecchi quello che succede nella realtà. L’approccio funzionava abbastanza bene, ma l’aggiunta di questo nuovo campo portava con se l’inclusione di una nuova particella nel modello standard: l’assione.

Gli assioni ci si aspetta che:

  • non siano dotati di carica
  • abbiano un massa incredibilmente piccola (miliardi di volte più piccola di quella di un elettrone)
  • non abbiano spin
  • possano trasformarsi in fotoni e viceversa in presenza di intensi campi magnetici
  • interagiscano poco e di mala voglia con la materia ordinaria

Quest’ultima caratteristica, in particolare è quella che li rende particolarmente ostici da identificare… oltre che degli ottimi candidati per essere i costituenti (beh… almeno una parte dato che si prevede abbiano una massa molto piccola) della materia oscura, la cui “presenza” ancora ci tortura.

La caccia a questa sfuggente particella è quindi aperta, beh, da qualche decennio in effetti…

Nel 2005 lo studio PVLAS sembrava aver trovato le tracce della sua esistenza. L’esperimento prevedeva il passaggio di un fascio di luce polarizzata attraverso intensi campi magnetici: una rotazione anomala nella direzione della polarizzazione sarebbe stata l’indice dell’esistenza di un assione. I risultati (contrastanti e smentiti da successivi esperimenti) hanno si identificato qualcosa di anomalo, ma con masse certamente non riconducibili ad un assione: o c’era qualcosa che non andava nell’apparato sperimentale oppure si era in presenza di un altro tipo di particella.

Oltre PVLAS c’è CAST. Esperimento che mira ad osservare assioni derivanti dalla conversione in raggi gamma più facili da rilevare. L’idea è in questo caso quella di cercare assioni di origine cosmica e “scovarli” quando si trasformano in fotoni (gli assioni potrebbero essere prodotti nel nucleo del Sole quando elettroni e protoni emettono raggi X che si trasformano appunto in assioni.

Poi c’è ADMX (Axion Dark Matter Experiment) che mira ad identificare gli assioni che si assume siano presenti in abbondanza nell’alone di materia oscura che circonda la nostra galassia: un forte campo magnetico dovrebbe convertire questi questi assioni in fotoni, più facili da rilevare.

Per farla breve: nonostante le difficoltà sperimentali per la loro osservazione la loro esistenza non può essere ad oggi esclusa sulla base delle osservazioni sperimentali. Tuttavia, almeno a livello cosmologico, confermare l’esistenza degli assioni creerebbe problemi fisici più rilevanti di quelli che dovrebbe risolvere e, dato che non sono stati mai effettivamente osservati, c’è chi non vede ragione di continuare con la ricerca della loro esistenza.

Ah, tanto per conferma che o siamo sulla giusta strada, e/o la natura è abbastanza coerente con se stessa e/o stiamo mettendo pezze su pezze al modello: l’assione è una particella fondamentale per tenere in piedi -oggi- anche tutta la teoria delle stringhe.

WU

Il vuoto che ho dentro

Mi capito spesso di sentirmi vuoto, un po’ inutile. Mi capita di guardare le mie giornate scorrere senza davvero capirne il senso o con la netta impressione che non stanno lasciando traccia. Mi capita di vivere per riflesso o addirittura di non cogliere la bellezza di questa vita.

Sicuramente è a causa di una mia scarsa profondità morale, ma forse anche a causa di tutto il vuoto che ho dentro. Incolmabile.

Nel senso che io, e fatemelo dire, anche voi siamo fatti per la maggior parte di nulla, di vuoto, di spazio senza materia. Siamo degli ingombranti volumi fatti di pochissima massa e di moltissimo nulla.

Ora, a parte le irrinunciabili divagazioni metafisiche che questa costatazione mi porta a fare, il punto è che siamo fatti di materia. La materia è fatta di molecole e queste di atomi e gli atomi (ahimè) sono fatti sostanzialmente di… vuoto.

Atomo1.png

Allora, senza fare la solita sbrodolata, gli atomi sono i costituenti della materia a loro volta costituiti da particelle subatomiche (protoni, neutroni ed elettroni) che si sono organizzati in un sistema relativamente semplice (scopiazzando dal nostro sistema solare anche se il paragone non mi piace particolarmente a causa della sostanziale differenza delle forze in gioco). C’è un nucleo centrale formato in genere da neutroni e protoni attorno al quale ruotano gli elettroni. Questi sono disposti in una specie di nuvoletta (gli orbitali) nei quali c’è un’altissima probabilità (e qui entra in gioco la statistica nella meccanica quantistica) di trovarli. La maggior parte della massa dell’atomo è nel nucleo (il nucleo è qualcosa come 1800 volte più pesante degli elettroni), mentre gli orbitali… fanno volume.

Quindi, un atomo è una struttura molto piccola, con quasi tutta la massa nel nucleo ed una piccolissima parte statisticamente a distanze moooolto grandi, in proporzione alle dimensioni del nucleo. Ed ecco fatto il nostro vuoto.

Atomo2.png

Immaginiamo un’arancia che abbia dimensioni pari a quelle del pianeta terra Terra. A questo punto gli atomi dell’arancia sarebbero grandi come ciliegie. Miriadi di ciliegie strettamente impacchettate in un globo delle dimensioni della Terra: ecco un’immagine ingrandita degli atomi di un’arancia.
[Il Tao della Fisica, F. Capra]

Buttiamo due numeri: il raggio medio di un atomo è qualcosa come 10^-11 metri, mentre il raggio medio del nucleo è circa 10^-15 metri; il risultato (considerando che nella formula del volue della sfera ci sono i cubi di questi raggi) ci porta a dire che l’atomo è vuoto (distanza media fra nucleo ed elettroni) al 99.999999999999%!!

Così, a spanne: un uomo medio peserà 70 kg, che considerando una densità unitaria (acqua) corrisponde a 0.07 m3, ovvero circa 70 litri. Saremo qualcosa come 7.000.000.000 di esseri umani su questa faccia di Terra e ciascuno ha una massa che sarebbe condensabile nel 0.000000000001 del suo volume. Risultato: circa mezzo litro.

Ed ora fantastichiamo un po’. Diciamo che riusciamo a togliere (e come?) tutto lo spazio vuoto dali atomi, e quindi rimanere solo con il minimo volume necessario a contenere la nostra massa (si, la nostra densità, che è circa quella dell’acqua, aumenterebbe a dismisura); il risultato sarebbe che tutta l’umanità sarebbe contenuta in una pallina da tennis, o in una zolletta di zucchero o comunque sarebbe qualcosa di meno di un litro di volume.

Affascinante.

Siamo quindi fatti sostanzialmente di nulla. Allora la domanda sorge spontanea: come è possibile che quando due corpi si incontrano riescono a non compenetrarsi (il nostro sedere non passa attraverso la sedia) se sono fatti entrambi di vuoto? Ed è nuovamente la meccanica quantistica a spiegarci l’arcano.

Due elettroni non possono trovarsi contemporaneamente nello stesso stato quantistico, quando due elettroni si avvicinano, superato un certo limite iniziano a respingersi (l’esempio di due calamite è qui molto calzante): principio di esclusione di Pauli.
Quindi le molecole che compongono un corpo non possono arbitrariamente essere spinte le une verso le altre, poiché gli elettroni di ogni molecola non possono entrare nello stesso stato degli elettroni di un’altra molecola.

Quando ci sediamo su una sedia in realtà… non la tocchiamo ma lievitiamo a qualche nanometro di distanza su di essa, respinti dalle forze elettriche degli atomi che compongono la sedia: le forze elettriche ci rendono effettivamente solidi.

Affascinante, nuovamente.

WU

PS. Ovviamente la percentuale di vuoto e tutti i fanta-calcoli che ne derivano sono valori medi essendo gli atomi tutti diversi ed essendo noi (ma in fondo tutta la materia) costituiti da una miriade di elementi.

Altrettanto ovviamente sentendo i ragionamenti di certe persone viene il fondato dubbio che la percentuale di vuoto sia molto molto maggiore del mio male di vivere.

PPSS. Chiedo scusa ai puristi della meccanica quantistica, in quanto il concetto di volume e raggio dell’atomo, a livello microscopico appaiono assolutamente fuori luogo, trattandosi di orbitali quantistici in cui gli elettroni hanno una data probabilità di trovarsi: quello che chiamiamo vuoto non è affatto vuoto, solo non c’è materia…

Casimir attraction

Prendiamo due piastre belle, lisce, parallele, non magnetizzate, senza alcun campo elettrico, estremamente vicine fra loro ed in vuoto. Secondo voi che succede?

Io avrei detto: assolutamente nulla.
Io avrei sbagliato, tanto per cambiare.

In realtà se le due piastre sono sufficientemente vicine (dell’ordine di pochi micron) si assiste al famoso effetto Casimir. Eh?! Semplicissimo: si attraggono!

Praticamente esiste una forza attrattiva che si genera fra due corpi estesi in vuoto ad opera dell’energia del vuoto (di questa delirio un’altra volta). In pratica (parolone) ciò che succede è che le particelle virtuali (che per loro natura mi viene da dire non potrebbero avere effetti reali) con una lunghezza d’onda che sia un sottomultiplo della distanza fra le due piastre sono le uniche che possono sopravvivere. Queste particelle, essendo meno di tutte quelle teoricamente generabili nel vuoto, provocano una spinta sulle piastre minore di quella che possono generare le loro virtuali equivalenti al di fuori dell’intercapedine fra le piastre. Quindi… il vuoto spinge le due piastre ad avvicinarsi!

effettoCasimr.png

Il trucco è nel concetto di vuoto, che per la fisica classica è semplicemente dove non c’è nulla, mentre per la meccanica quantistica, per il principio di indeterminazione, non si può garantire la totale assenza di ogni particella e/o campi. Il vuoto diventa quindi una regione a zero energia con fluttuazioni quantiche generate dalla creazione e distruzione di particelle virtuali con vita breve ma finita.

Tale forza può addirittura essere misurata (ovviamente parliamo di valori infinitesimali, così, ad esempio, circa 1e-17 gr per due piastre di 1 cm poste a 1 mm di distanza) anche se la loro verifica sperimentale non è stata affatto semplice. Ovviamente l’effetto è stato prima teorizzato (non indovinerete mai il cognome del suo formulatore…), nel 1948, e poi, negli anni 2000 (beh, 50 anni per avere una verifica sperimentale di un’idea devono essere una quelle cose che appagano la vita dell’ideatore…), verificato con gli occhi.

Rimane una delle pochissime prove macroscopiche della meccanica quantistica che, nonostante il suo essere profondamente controintuitiva, continua a governare il modo di comportarsi della materia nel infinitamente piccolo. Ed io continuo a fantasticare.

WU

PS. Ovviamente partendo dalla verifica sperimentale di un tale effetto le divagazioni ad utilizzi macroscopici (magari con scenari di generazione di energia/spinta pulita e dal nulla) pullulano allontanandosi, molto spesso, da qualunque base teorica.