Ecco a voi… i Raggi N

René Blondlot era un professore all’Università di Nancy (oltre che membro di una serie di Academie, tipo l’Académie des Sciences). Era il 1903 quando a suo nome uscì su una rinomata rivista scientifica un articolo in cui illustrava la sua ultima scoperta. Un nuovo tipo di radiazioni, i raggi N.

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Parliamo di un periodo, l’inizio dello scorso secolo, in cui la radioattività la faceva da padrona: i raggi X erano stati scoperti meno di un decennio prima ed evidenza di radiazioni alfa, beta, gamma saltavano fuori da ogni dove. Si viveva, quindi, in un periodo in cui il nervo su nuovi possibili tipi di radiazioni era più che scoperto.

Blondlot, studiando i raggi X (più precisamente utilizzando la macchina di Röntgen al fine di scoprirne il funzionamento) notò delle anomalie luminose, per lui spiegabili solo attribuendole ad un nuovo tipo di radiazioni, i Raggi N (molto più potenti dei Raggi X!). In men che non si dica, l’osservazione divenne scoperta, la scoperta articolo e l’articolo pubblicazione.

Blondlot, di certo non l’ultimo pellegrino in tema di radiazioni, perfezionò i sistemi per rilevare ed addirittura produrre i “suoi” Raggi N. Eliminò accuratamente possibili fonti di interazioni e disturbi esterni per essere sicuro di vedere solo i raggi cercati. Blondlot scoprì che i Raggi N sono emessi da metalli riscaldati e da parecchie fonti naturali, fra cui il nostro sole.

I Raggi N potevano attraversare spesse lastre di metallo e corpi in generale opachi alla luce visibile (che a sua volta pareva interagire con i Raggi N). Acqua e cristalli di salgemma, al contrario, li assorbivano.

A partire dalle pubblicazioni e dagli esperimenti di Blondlot, la scoperta (ed il giusto entusiasmo per essa) di diffuse velocemente a tutto il mondo scientifico fino a raggiungere Charpentier, fisico-medico anch’esso di rinomata credibilità, che scoprì l’emissione di Raggi N anche da parte di nervi e muscoli, umani. Ah, l’emissione permaneva anche post-mortem. La scoperta poteva dunque essere usata per scopi medico-legali e diagnostici.

Perché fermarsi: i Raggi N potevano essere immagazzinati. Ed in maniera piuttosto semplice, bastava un semplice mattone avvolto in un foglio di carta nera ed esposto al sole. I Raggi N emessi dal sole, riemessi da mattone rimaneva intrappolati dalla superficie nera della carta.

Nel 1905 arrivò quel guastafeste di Robert W. Wood, professore di fisica alla John Hopkins University. Indovinate cosa voleva fare il signor Wood? Beh, riprodurre gli esperimenti di Blondlot & Co. Indovinate l’esito? Non ci riuscì. Consolato, si fa per dire, dall’insuccesso dei suoi colleghi d’oltreoceano, decise quindi di recarsi a Nancy per vedere i laboratori che avevano dato la luce ai Raggi N… ed imparare qualcosa (si, nella Academia vera, non ci si approccia con scetticismo/arroganza ma con Umiltà).

Blondlot ripropose al collega l’esperimento originario in cui Wood, tuttavia, non notò alcuna variazione di luminosità (le famose anomalie luminose) che avevano fatto gridare Blondlot alla scoperta. La campagna sperimentale proseguì; Blondlot intendeva misurare e far vedere al collega la deviazione subita da un fascio di Raggi N incidenti su un prisma di alluminio. L’apparato sperimentale prevedeva un prisma di alluminio (ovviamente), un sistema di focalizzazione ed uno schermo fluorescente che fungeva da rivelatore dei raggi N (quelli deflessi). Il team di Blondlot voleva dimostrare quattro differenti posizioni nella deflessione, ovvero quattro differenti lunghezze d’onda dei Raggi N. Anche in questo caso, tuttavia, Wood, non notò i risultati che Blondlot ed il suo team volevano fargli vedere.

A questo punto Wood chiese semplicemente di ripetere l’esperimento. Non visto rimosse il prisma di alluminio dall’apparato sperimentale. Inutile dire che i suoi colleghi non fecero altro che notare le stesse cose e confermare i risultati del precedente esperimento.

Wood lasciò Nancy.

Rientrato in patria pubblicò un resoconto circa ciò che aveva visto durante il suo soggiorno a Nancy, e soprattutto ciò che NON aveva visto. I Raggi N, sostenne, esistevano solo nella mente dei suoi scopritori i quali, certamente in buona fede, si erano fatti forse trascinare troppo dall’entusiasmo del periodo per le emissioni radioattive fino a voler vedere ad occhio nudo tenui (se esistenti) variazioni di luminosità che avevano evidentemente una natura assolutamente casuale. Si erano autoconviti di una grande scoperta in preda all’entusiasmo ed avevano voluto vedere (e trasmesso!) una ripetibilità delle osservazioni che non aveva attecchito in una mente “esterna”.

I sostenitori dei Raggi N, anche dopo lo smacco, giocarono le loro ultime carte. Per osservarli serviva parecchia sensibilità (tipica, sostennero, soprattutto delle razze latine). E questo è evidentemente indice che il castello era crollato.

Blondlot rifiutò di sottoporsi ad un esperimento pubblico e decisivo per provare l’esistenza o meno dei Raggi N (ulteriore indicatore che qualcosa che anche a lui non tornasse… ma evidentemente preferiva non subire “pubblica gogna”). Blondlot morì nella sua Nancy nel 1930.

Non è una storia di frodi o menzogne, è una storia di forti convinzioni che portano a distorcere le evidenze del metodo scientifico. Non erano gli anni in cui con scoperte del genere di odorava un business milionario; oggi si. All’autoconvinzione tende ad aggiungersi la truffa (io dell’E-Cat, pro cause, non ho mai parlato).

WU

PS. Ah, Raggi N, da Nancy, ovviamente.

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La violazione del Cp

Cp sta per Carica e Parità, e questa è la parte facile (omettendo, ovviamente la spiegazione di queste due simmetrie, della terza e delle loro combinazioni…). E’ una simmetria delle particelle presente nel modello standard. Con ordine, onde evitare di confondere ulteriormente le idee…

Correva l’anno 1932 quando ci si accorse sperimentalmente di qualcosa che già anni prima era stata definita a livello teorico: esiste l’antimateria. Praticamente il mondo come lo conosciamo p fatto di materia ordinaria, ma esiste un equivalente di questa materia “al contrario”: gli anti-elettroni hanno carica positiva, anti-protoni con carica -1 e tutto un universo di particelle opposte a quelle che conosciamo e tocchiamo tutti i giorni.

Pian piano siamo stati capaci di creare ed isolare particelle di antimateria e scoprire che qualora malauguratamente (…stile Dan Brown) particelle ed antiparticelle dovessero entrare in contatto il risultato sarebbe una grande casino. Le particelle si annichiliscono, si fondono, sprigionando tutta la loro energia sotto forma di radiazione elettromagnetica (con emissione anche di molte altre particelle esotiche…).

Ma.

Ma, se le cose stessero esattamente così noi non esisteremmo. All’origine dei tempi, con il Big Bang vi deve essere stata una uguale produzione di materia ed antimateria e se tutto il modello fosse così esattamente simmetrico tutta la materia ordinaria avrebbe incontrato anti-materia sprigionando solo tanta tanta tanta energia, ma non consentendo lo sviluppo di nessuna forma di vita. Praticamente saremmo energia pura e non materia (o anti-materia).

Ed invece siamo qui. E siamo fatti di materia, non di anti-particelle. Deve esserci quindi un meccanismo per cui la materia ha vinto sull’antimateria. Deve esservi, quindi, qualche asimmetria nel modello standard che preveda che se due particelle appartenenti a due materie diverse entrano in contatto, in qualche caso, qualcosa deve pur sopravvivere…

Proprio in questi giorni i fisici del LHCB al Cern sono riusciti a vedere (udite udite) una leggera, timida asimmetria tra i decadimenti di particelle charm di tipo up e quelli delle rispettive antiparticelle. Senza entrare nel dettaglio (meglio stare zito…), si tratta di particelle che contengono quark c, con carica elettrica +2/3 di quella dell’elettrone… o dell’anti-elettrone.

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Insomma le particelle in questione decadendo non sono esattamente uguali, non sono simmetriche rispetto alla Carica ed alla Parità. E’ una prima prova sperimentale della simmetria Cp.

Il fenomeno era stato già previsto in teoria negli anni ’60, ma mai osservato nella realtà. Avere una violazione della simmetria Cp nel mondo dei Quark è una conferma che noi esistiamo (qui si aprono anche scenari fanta-filosofici), una conferma del modello standard ed un invito a continuare a capirci qualcosa di più. Abbiamo solo sollevato un po’ il telo che copre tutte le simmetrie del mondo subatomico dato che il valore misurato della violazione di Cp è estremamente piccolo (… so che lo stiamo cercando, ma un double-check sull’accuratezza del setup di test magari lo farei…) e non è sufficiente a spiegare l’asimmetria materia-antimateria con la quale ci misuriamo quotidianamente.

WU

78 megahertz

Romanziamo un po’ anche questo.

Deserto australiano, una piccola antenna radio nel bel mezzo di un nulla di polvere, vento e silenzio. Un solo omino, stanco ed annoiato davanti al suo monitor. Vent’anni di speranze, ricerche e tentativi; condivisi dal nostro solitario ricercatore e da decine di sognatori e testardi come lui.

Ad un tratto un flebile bip; un puntino insignificante per molti, tanti, tantissimi, tutti meno che lui. Il bip che aspettava, il vagito della prima stella. Buon compleanno.

180 milioni di anni dopo il Big Bang, praticamente un’occhiolino dopo la nascita dell’universo, l’ “Età Oscura” (il buio cosmico, perenne ed onnipresente) era squarciato dalla prima luce. Raggi ultravioletti che squarciavano la nebbiolina di idrogeno che rappresentava il risultato stesso del Big Bang, che era “il tutto”.

The low-frequency edge of the observed profile indicates that stars existed and had produced a background of Lyman-α photons by 180 million years after the Big Bang. The high-frequency edge indicates that the gas was heated to above the radiation temperature less than 100 million years later.

La piccola antenna si era spinta indietro nel tempo dove nessuno era mai giunto, dove i suoi fratelloni più grandi, sia in cielo che in terra, non erano ancora arrivati. Un segnale flebile e disturbato in mezzo ad una moltitudine di rumore e ruggiti di stelle più grandi e più giovani. Ma l’interesse era per quel vecchio, lontano e flebile dinosauro che rappresentava una pietra miliare nell’evoluzione del cosmo.

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Ma non è tutto; il bip non suonava come il nostro amico testardo si aspettava. Non era un segnale propriamente regolare… e meno male, dato che altrimenti la ricerca sarebbe finita li. Era in qualche modo un segnale deformato, dalle caratteristiche inattese: due volte più ampio del previsto (An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum).

After stars formed in the early Universe, their ultraviolet light is expected, eventually, to have penetrated the primordial hydrogen gas and altered the excitation state of its 21-centimetre hyperfine line. This alteration would cause the gas to absorb photons from the cosmic microwave background, producing a spectral distortion that should be observable today at radio frequencies of less than 200 megahertz.

[…]

The profile is largely consistent with expectations for the 21-centimetre signal induced by early stars; however, the best-fitting amplitude of the profile is more than a factor of two greater than the largest predictions. This discrepancy suggests that either the primordial gas was much colder than expected or the background radiation temperature was hotter than expected.

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E qui, dal solitario omino si passa ad una pletora di pensatori imbellettati, di scienziati da carta e penna, di lavagne polverose e studi bui: l’idrogeno gassoso era forse più freddo di quanto ipotizzato; probabilmente a causa dalla materia oscura. In piena serendipità, da cosa nasce cosa e siamo vicini a poter definire qualche proprietà di una particella di materia oscura e (speriamo di no) rimetter mano al modello standard per tener buono questo strano, flebile vagito e la conoscenza del mondo che ci circonda così come siamo abituati a vederlo e spiegarcelo.

Praticamente nello spetto delle microonde della radiazione cosmica di fondo, questa lieve diminuzione del segnale attorno ai 78 MHz è una distorsione compatibile con, tenendo conto dell’assorbimento dell’idrogeno e dello spostamento verso il rosso dovuto all’espansione dell’universo, un idrogeno (ed in fondo un intero universo) due volte più freddo di quanto ci aspettassimo.

Parliamo di circa 3 gradi Kelvin; -270°C.

Astrophysical phenomena (such as radiation from stars and stellar remnants) are unlikely to account for this discrepancy; of the proposed extensions to the standard model of cosmology and particle physics, only cooling of the gas as a result of interactions between dark matter and baryons seems to explain the observed amplitude.

WU

Very very very cold

One billionth of degree above the absolute zero. More than 100 000 000 times colder than the depths of space (a place already very cold).

It is like to say that this is the coldest point we might have ever seen. And, since temperature is energy and energy is matter, it is like to explore the deepest structure of energy and matter.

At these extremely low temperature matter behaves like waves more than particle; the state is known as the Bose-Einstein condensate. Ok, this is new, but not brand new.

Here, on the Earth I mean, we already succeeded to create such a state, but the boring gravity affecting everything causes matter to maintain such characteristics only for a fraction of second before to settle atoms towards the ground.

Well, the natural evolution of such experiment is to pack everything and send the equipment to the International Space Station (ISS); at least we know how it can be used besides for taking pictures…

The Cold Atom Lab (CAL) experiment is scheduled to be flown on the ISS in August 2017. The box features a powerful laser, a vacuum chamber and an electromagnetic “knife” to cancel out any gas particles energy. This correspond to having and almost motionless matter in absence of gravity, i.e. a Bose-Einstein condensate lasting for tens/hundreds of seconds!

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Of course nothing is done for pure research and the technical repercussion of this experiment are on quantum computers and atomic clocks. The Bose-Einstein condensate state is also a “fluid” with zero viscosity (no viscosity means that there is nothing to slow it down dissipating the kinetic energy) thus also its possible applications on energy transmission can take advantage from this kind of experiments.

All in all, although the space is already very cold, making a tiny box even colder up there helps us here to imagine new concepts and applications. Technology evolving through experiments exploiting what we already have.

Arrangiarsi: taking out the most from everything.

WU

Na64

Non è, anche se sembra, il fantomatico unobtanium. Non è, anche se sembra, il nome in codice del drone del prossimo episodio della saga di Star Wars.E’, anche se non sembra, il nome del prossimo esperimento del CERN.

Scopo: fare luce sulla materia oscura. A parte l’irresistibile gioco di parole, fare luce è meno sarcastico di quanto pensiate, dato che stiamo parlando di cercare il “fotone oscuro” (si, anche questo richiama un episodio di una specie di Batman fanta-fisico).

Il fotone oscuro dovrebbe (un solo condizionale potrebbe non bastare) essere il responsabile della forza elettromagnetica quando si parla di materia oscura. Proprio come affidiamo al fotone l’interazione elettromagnetica (si, la luce) nel mondo della materia ordinaria, ci aspettiamo che esista il suo altrerego oscuro (e, quindi, cattivo 😀 ).

La cosa simpatica è che la natura duale del fotone come lo conosciamo noi potrebbe essere mantenuta dall’oscuro fotone che potrebbe esser in grado di mediare fra il mondo della materia ordinaria e quello della materia oscura. Insomma una specie di messo fra due mondi.

L’esperimento del CERN mira a misurare l’ammanco di energia degli elettroni che potrebbe essere causata dal loro interagire con dei fotoni oscuri. Qualora tale ammanco fosse misurabile e non attribuibile a processi ordinari allora, anche senza averlo visto (approccio tipicamente usato nel mondo della “fisica sperimentale oscura”) allora si urlerebbe alla scoperta.

E si devono guardare gli elettroni, con attenzione. Infatti ci si aspetta che la nuova particella sia in grado id interagire solo con elettroni e neutroni, ma non con protoni (insomma, in un’unica incomprensibile parola, sia protofobica).

Ci si aspetta che a differenza del fratellino luminoso il fotone oscuro sia pesante (circa 30 volte il fotone), dotato di massa e sarebbe rilevabile solo per via indiretta. Affascinante pensare al fatto che per vedere qualcosa dobbiamo cercare ciò che non c’è. Se poi ciò che cerchiamo è oscuro per definizione, ciò che manca è l’unico modo di far luce su tutto un mondo che non conosciamo affatto.

Gli estremi per continuare la ricerca (ed i finanziamenti) ci sono tutti.

WU

PS. E non è la prima volta che proviamo a cercare tale particella, dato che al Jefferson Lab esperimenti del genere vanno avanti dal 2012, nello spazio dal 2006 con PAMELA e la prima proposta teorica dell’esistenza di tale particella data 1986