Il 16 Aprile si è chiusa a Saronno, dopo tre mesi di apertura
continuativa (tutti i giorni dalle 9,30 alle 18,30) la 7° e più
importante edizione della nostra grande mostra triennale dedicata a L'ESPLORAZIONE
DEL SISTEMA SOLARE, unica in Europa nella sua attuale configurazione. Inutile
dire che la gestione della mostra, specie nei giorni feriali, è
stata davvero stressante anche se rimane la soddisfazione per l'ennesimo
grande successo di pubblico: un migliaio di visitatori per ognuna delle
13 settimane di apertura (con un prolungamento di due settimane per soddisfare
le richieste provenienti da scuole di ogni parte d'Italia e anche dall'estero).
Per quanto riguarda le visite guidate alle scuole nei giorni feriali dobbiamo
davvero ringraziare l'aiuto fondamentale offerto dagli amici del Gruppo
A.&G. Bernasconi di Saronno: un aiuto ed una collaborazione che si
sono sempre più rafforzati e migliorati a partire da quando la mostra
(4° edizione del 1990) si è spostata definitivamente a Saronno
non essendo possibile trovarvi a Tradate una adeguata sistemazione (alla
ex scuola di Via Biffi a Saronno abbiamo completamente occupato 14 locali
e due corridoi di 42 metri!). Eccellente è stato pure il successo
del CD-ROM contenente tutte le 5000 immagini della mostra: ecco perchè
abbiamo deciso, per lunedì 22 Maggio, di presentarne, in una serata
pubblica assolutamente da non perdere, l'ultima versione migliorara ed
aggiornata (per esempio con le immagini dell'asteroide EROS).
Ma già un nuovo ghiotto appuntamento si preannuncia all'orizzonte:
si tratta di una nuova cometa, la LINEAR C/1999 S4, che raggiungerà
il 22 e 26 luglio la minima distanza dalla Terra e dal Sole divenendo anche
un oggetto ben visibile ad occhio nudo (vedi apposito inserto di L.Comolli).
Proprio a questa cometa abbiamo pensato di dedicare (Sabato 22 luglio a
Villa Centenari) la 6° GRANDE SERATA ESTIVA SOTTO LE STELLE.
Per quanto riguarda il prosieguo di questa lettera N.84 non avevamo
scelta: ci è sembrato indispensabile fare il punto su due scoperte
di enorme portata cosmologica entrambe annunciate lo scorso febbraio (la
prima è l'evidenza indiretta dell'esistenza dei NEUTRALINI, componenti
fondamentali della Materia Oscura, la seconda è la prima creazione
di una 'zuppa' di QUARK e GLUONI, simile a quella presente al momento del
Big Bang).
Figura 1 14 marzo 2000: la visita di Giovanni Bignami (direttore scientifico
dell'ASI, Agenzia Spaziale Italiana) in visita alla mostra. Per vedere l'immagine più grande clicca sull'immagine.
WIMP e materia oscura
Figura 2 In estate la Terra viene investita da un maggior numero di WIMPs
rispetto all'inverno. Per vedere l'immagine più grande clicca sull'immagine.
L'annuncio dato lo scorso 25 Febbraio da un team di studiosi italiani guidati
da Rita Bernabei dell'Università di Roma durante il 4° congresso
mondiale sulla Materia Oscura tenutosi a Marina del Rey, in California,
è destinato, se confermato, a divenire una delle maggiori scoperte
cosmologiche degli ultimi decenni, degna, sicuramente, del premio Nobel.
In sintesi sembra sia stata confermata, per la prima volta, l'esistenza
del NEUTRALINO, appartenente alla specie della cosiddette particelle WIMPs
(Weakly Interacting Massive Particles ossia particelle massicce che interagiscono
debolmente con la materia ordinaria). Le WIMPs, essendo dotate di grande
massa, sono tra i canditìdati migliori per spiegare l'enigma della
materia oscura nel Cosmo e sono postulate dalla cosiddetta teoria della
SUPER-SIMMETRIA: questa teoria ingloba e migliora l'attuale MODELLO STANDARD
basato su due classi di particelle (i leptoni di tipo elementare e gli
adroni a loro volta costituiti da quark) che interagiscono secondo quattro
forze fondamentali (forte, debole, elettromagnetica e gravitazionale) a
loro volta veicolate da apposite particelle (gluoni, W, fotoni e gravitoni).
Secondo la SUPER-SIMMETRIA, ogni particella nota possiede una controparte
di grande massa ancora sconosciuta in quanto otticamente invisibile e pochissimo
interagente con la materia ordinaria. Ebbene, il team guidato da Rita Bernabei
avrebbe individuato la più leggera (60 masse protoniche) tra le
WIMPs (il NEUTRALINO appunto) mediante il rivelatore DAMA (acronimo che
significa Dark Matter) situato dal 1996 ad un chilometro di profondità
nel laboratorio del Gran Sasso. Il DAMA è un complesso di 9 cristalli
di NaI (Ioduro di Sodio), ciascuno del peso di 1 kg, situati all'interno
di un contenitore di Rame: lo ioduro di Sodio emette un lampo di luce ogni
volta che uno degli atomi che lo compongono interagisce con un'altra particella,
nel caso specifico con i misteriosi NEUTRALINI. Il fatto è che,
a causa della radioattività naturale delle rocce che sovrastano
per un km il rivelatore, il rumore di fondo, ossia i segnali spuri che
arrivano al rivelatore sono assai numerosi. Ma un metodo sottile e geniale
esiste per separare le WIMPs dal rumore di fondo: si tratta della ricerca
di una leggera variazione STAGIONALE del numero di conteggi luminosi. Sì,
proprio STAGIONALE, nel senso che è stato osservato un leggero aumento
dei segnali luminosi in Giugno e una corrispondente decrescita in Dicembre.
Secondo gli autori della scoperta la significatività di questo effetto
è talmente alta che la probabilità che si tratti di un'oscillazione
statistica è di 1 su 10.000. Questo anche in considerazione del
fatto che seri indizi in proposito erano già stati presentati dal
team di DAMA il 16 Dicembre 1999 a Parigi durante un Simposio di Cosmologia
relativistica: allora però si trattava di dati raccolti durante
sei mesi di rilevazioni dal Novembre 1996 al Luglio 1997, adesso invece
(durante il già menzionato congresso californiano sulla Materia
Oscura di Febbraio) sono stati forniti dati sperimentali la cui significatività
statistica si basa su ben 4 anni di osservazioni.
Cerchiamo, però, di spiegare perchè l'oscillazione stagionale
della risposta DAMA è un grosso supporto all'esistenza di WIMPs.
Cominciamo col ricordare che la maggior parte dei cosmologi è convinta
che almeno il 90% della massa dell' Universo è invisibile otticamente.
Una dimostrazione classica sta nel fatto che la velocità di rotazione
delle parti più esterne delle galassie a spirale (una velocità
che apparentemente NON diminuisce come vorrebbero le leggi di Keplero)
è talmente elevata che le stelle stesse dovrebbero disperdersi nello
spazio se trattenute solo dalla gravità della massa visibile. Da
qui la necessità di postulare, come fonte ulteriore di forza di
gravità aggregante, una grande quantità di materia invisibile
(come detto almeno 9 volte quella visibile). La natura di questa Dark Matter
('Materia scura') è tuttora sconosciuta ma tra i candidati più
promettenti ci sono proprio i 'pesantissimi' WIMPs teorizzati dalla teoria
Super-simmetrica. Proprio per la loro scarsa tendenza ad interagire con
la materia ordinaria i WIMPs non hanno subito il processo di appiattimento
e di incremento della velocità di rotazione conseguente al collasso
in un disco del materiale gassoso che ha dato origine alla Via Lattea:
il disco della nostra galassia, quindi, si trova a ruotare a 220 km/sec
immerso in un gigantesco alone di WIMPs (gigantesco in quanto depositario
del 90% della massa totale!). Ecco allora che il Sole, nel suo movimento
(220 km1sec) attorno al centro della Via Lattea si trova a 'navigare' in
mezzo ad un mare quasi-statico di WIMPs: dal punto di vista dinamico comunque,
questa situazione si può immaginare invertita nel senso che si può
immaginare il Sole perennemente investito, a 220 km/sec, da un forte flusso
di WIMPs. Proprio a questo punto si inserisce l'effetto stagionale riscontrato
dal rivelatore DAMA. Nel suo movimento di rivoluzione attorno al Sole la
Terra, d'estate si muove a 30 km/sec in CONTROCORRENTE rispetto al flusso
di WIMPs, mentre d'inverno il suo movimento avviene esattamente nella stessa
direzione: come conseguenza d'estate la Terra viene investita da un numero
di WIMPs MAGGIORE che d'inverno (per capire meglio il concetto basta, per
esempio, pensare a due auto che viaggiano in senso opposto in una tempesta
di neve: è evidente che sul vetro anteriore dell' auto che marcia
CONTRO la tempesta si accumulerà una quantità di fiocchi
di neve nettamente maggiore rispetto all' auto che procede nella stessa
direzione della tempesta). Esattamente questo è stato l'effetto
riscontrato dal team di DAMA, ma il problema vero è se a produrlo
siano state veramente le misteriose WIMPs oppure qualche particella più
nota e meno esotica. Questo dubbio è stato sollevato, durante la
stessa conferenza californiana dello scorso Febbraio, da un altro team
di ricercatori, questa volta americani, che lavorano, presso la Stanford
University di Palo Alto su un progetto analogo denominato CDMS (Cold Dark
Matter Search). Più di preciso il rivelatore CDMS consiste di tre
dischi di Germanio, del peso totale di 0,5 Kg e super-raffreddato fino
ad 1/10 di °C dallo zero assoluto, in grado di misurare contemporaneamente
il calore rilasciato da una particella incidente e la sua carica. Se il
rapporto carica/calore è molto basso è immediato dedurre
la presenza di una particella neutra di grande massa e, proprio dal valore
della massa, individuare la natura della particella. Ebbene, secondo il
team CDMS TUTTI i 13 eventi da loro individuati nel 1999 sono ascrivibili
a semplici NEUTRONI isolati: da qui il forte sospetto che siano neutroni
e non WIMPs, anche le particelle rivelata dal DAMA.
Bosone di Higgs e materia oscura
Figura 3 Il sistematico eccesso nel numero di bosoni Z riscontrato al CERN
dal rivelatore OPAL potrebbe essere spiegato con la presenza di particelle
di Higgs. Per vedere l'immagine più grande clicca sull'immagine.
Ma oltre alle WIMPs molte altre sono le particelle di grande massa candidate
a comporre la materia oscure. Una delle più importanti e ricercate
è il cosiddetto Bosone di HIGGS, fondamentale per spiegare l'esistenza
in natura della massa in generale e delle differenti masse in particolare.
Fino ad un paio d'anni fa la massa del Bosone di Higgs veniva stimata così
elevata (1000 volte la massa del protone) da renderne impossibile la produzione
negli attuali acceleratori di particelle. Le cose sono però un pò
cambiate in occasione della 7° Conferenza internazionale sulla Super-simmetria
(SUSY99) tenutasi a Chicago nel Giugno 1999. In questa occasione sono stati
presentati alcuni risultati della teoria della Super-simmetria, secondo
cui la massa del bosone di Higgs potrebbe essere abbassata di quasi 10
volte (diciamo fino a 'solo' 130 volte la massa del protone). Questa eventualità
ne renderebbe possibile la scoperta anche con le macchine acceleratrici
attuali: l'impronta digitale di una particella di Higgs di bassa massa
sarebbe il suo decadimento in una coppia di quark/antiquark BOTTOM, subito
seguita dalla loro trasformazione in un getto di protoni, neutroni e pioni.
Una situazione, a questo punto, perfettamente alla portata del rivelatore
OPAL collocato a Ginevra presso il LEP (Large Electron-Positron Collider),
il grande acceleratore che fa collidere elettroni contro positroni. Dal
1997 il LEP produce collisioni ad energia che può raggiungere i
190 GeV (ricordiamo che necessita l'energia di circa 1 GEV per creare una
particella della massa di un protone) con lo scopo primario di generare
grandi quantità di particelle Z (uno dei veicoli della forza elettron-debole).
Ebbene, durante la stessa conferenza SUSY99, E. Gross, responsabile del
rivelatore OPAL, ha stupito non poco i presenti mostrando dei dati che
potrebbero essere interpretati come un indizio della scoperta di bosoni
di Higgs. In parole povere sembra che il numero di Bosoni Z prodotti a
97 GeV sia sempre sistematicamente più alto di quanto calcolato
teoricamente: questo eccesso di particelle di massa prossima ai 100 GeV
ha solo un 4% di probabilità di essere causale e potrebbe benissimo
essere spiegato dalla presenza di bosoni di Higgs di bassa massa. La conferma
potrà avvenire a partire dal 2005, quando al CERN di Ginevra entrerà
in funzione il gigantesco LHC (Large Hadron Collider), capace di far collidere
protoni contro antiprotoni alla fantastica energia di 14.000 GeV.
Quark e Big Bang
Allo stesso LHC sarà comunque assegnato un altro compito molto
importante: quello di riprodurre con continuità in laboratorio i
primissimi istanti della nascita dell'Universo cercando di ricreare quella
miscela di quark e gluoni isolati che costituivano la materia cosmica subito
dopo il Big Bang. Un sogno, quello di ricreare il Big Bang in laboratorio,
che sembra però sia stato raggiunto molto prima del previsto, se
sarà confermato l'annuncio a sensazione che gli scienziati del CERN
di Ginevra hanno rilasciato durante una affollata conferenza stampa lo
scorso 10 Febbraio. Ma procediamo con ordine.
Secondo la teoria denominata QCD (Crono-dinamica Quantistica) i QUARK
sono i costituenti più elementari delle varie particelle adroniche:
se ne legano due all' interno dei mesoni e tre all'interno dei protoni/neutroni.
La forza ('forte') che tiene uniti i quark è talmente intensa che
è normalmente impossibile rivelare quark isolati. Per spiegare questa
situazione la QCD assegna tre 'cariche di colore' ai quark, il rosso, il
verde e il blu. Grazie ai loro 'colori' i quark si attirano vicendevolmente
come fanno le particelle dotate di carica: ecco allora che, come le cariche
elettriche interagiscono scambiandosi dei fotoni, i quark interagiscono
scambiandosi dei GLUONI (che sono, dunque, le particelle che veicolano
la forza forte). Il fatto è che la forza di legame veicolata dai
gluoni sale immediatamente quasi all'infinito non appena i quark si separano
reciprocamente: questo è come dire che, nell'Universo attuale, è
praticamente impossibile ritrovare miscele di quark e gluoni tra loro separati
(in parole più tecniche si parla di QGP ossia 'plasma di quark e
gluoni'). Ci fu però un istante in cui l'energia dell' Universo
era talmente immensa da mantenerne tutta la materia sotto forma di QGP:
questo periodo si esaurì prestissimo, circa 10 microsecondi dopo
il Big Bang! Se però fosse possibile in qualche modo produrre in
un acceleratore di particelle l'energia di allora, ecco che ci sarebbe
la seria speranza di ricreare in laboratorio un plasma di quark e guoni
(QGP), quindi di studiare i primissimi istanti di vita dell'Universo. Proprio
questo è stato il risultato pubblicizzato in Febbraio al CERN di
Ginevra da un team di 300 scienziatio di 20 nazioni. In realtà una
serie di lavori in proposito erano già iniziati nel 1994 quando
nell'acceleratore SPS (Super Proton Sincrotrone) del CERN si cominciarono
a far collidere fasci di atomi di Piombo ad alta energia contro bersagli
di Oro o anche di Piombo. L'esperimento, denominato HIP (Heavy Ion Program)
ha generato temperature collisionali 100.000 volte maggiori che all'interno
del Sole ed un'energia sì sufficiente a rompere l'energia di legame
che confina i quark nei nuclei atomici ma ancora inferiore a quella necessaria
per costringere i quark a vivere separati. In questa eventualità
i singoli quark avrebbero potuto emettere una tipica emissione luminosa
facilmente rivelabile. Per adesso gli scienziati del CERN si sono dovuti
accontentare di dimostrare l'esistenza della QGP (la già menzionata
zuppa di quark e gluoni) mediante una prova geniale ma indiretta. L'annuncio
dello scorso Febbraio dà in pratica ufficialità a quanto
era già filtrato durante la conferenza internazionale sui Quark
tenutasi a Torino nel Maggio 1999. Vediamo di esporrne in maniera semplice
i risultati.
Figura 4 La zuppa di Quark e Gluoni prodotta dalla collisione tra nuclei
pesanti (Piombo contro Oro) lanciati a velocità relativistica. Per vedere l'immagine più grande clicca sull'immagine.
In una collisione a velocità relativistica tra nuclei pesanti l'energia
in gioco è suffciente per produrre un gran numero di quark ed antiquark
che tendono a riunirsi in coppie formando per qualche istante una particella
mesonica (ricordiamo che i mesoni sono proprio gli adroni composti da due
quark). Nel caso specifico le condizioni sperimentali adottate tendono
a produrre i cosiddetti mesoni J/psi, formati dall'unione di un quark CHARM
con il suo antiquark (ricordiamo che il CHARM è uno dei sei possibili
'sapori' dei quark: gli altri 'sapori' sono up, down, strange, top e bottom):
un rivelatore apposito, denominato N45 ha il compito, nell'ambito del già
ricordato esperimento HIP, proprio di rivelare i mesoni J/psi. Quando però
si forma una 'zuppa di quark e gluoni' (QGP) l'energia in gioco è
così imponente che tendono a formarsi numerosissime coppie di quark/antiquark
di tutti i sei possibili 'sapori' (up, down, charm, strange, top, bottom).
Questa situazione, denominata 'democrazia nucleare' assomiglia un pò
a quanto avviene in....una stanza da ballo molto affollata: qui se due
ballerini si separano è molto difficile che riescano a ricongiungersi,
piuttosto è più facile che ciascuno trovi un partner differente
e che quindi si formi una nuova coppia. La stessa cosa succede ai quark
CHARM in presenza di una QGP. Essendoci un gran numero anche di quark dotati
degli altri 5 sapori, le 'scelte' a disposizione di ogni quark CHARM saranno
molto più varie e quindi sarà molto più difficile
un incontro con la corrispondente antiparticella (antiquark CHARM): come
conseguenza, in una 'zuppa di quark e gluoni', la produzione di mesoni
J/psi (formati- lo ricordiamo ancora- dall'unione di un quark/antiquark
CHARM) deve diminuire in maniera molto netta. Ebbene, proprio questo è
stato il clamoroso risultato rivendicato dal team di N45 al CERN: un calo
improvviso nel numero di mesoni J/psi rivelati dallo strumento N45 durante
quei 10-23 secondi in cui la collisione di atomi relativistici di piombo
contro un bersaglio di oro produce il massimo sviluppo di energia.
Non c' è dubbio che fra due anni anche in U.S.A., presso il
Brookhaven National Laboratory, il cosiddetto esperimento RHIC (Relativistic
Heavy Ion Collider) potendo far collidere, a velocità relativistica,
circa 1000 nuclei/sec di oro in reciproca controcorrente (con temperature
che raggiungeranno un trilione di °C!) non solo confermerà i
recenti risultati del CERN ma riuscirà anche a creare QGP in grande
quantità. Possibilità che il CERN, forse, raggiungerà
solo nel 2005 con l'esperimento ALICE (A Large Ion Collider Expement).
Da qui l'impressione che la 'fretta' con cui gli scienziati del CERN hanno
voluto comunicare in Febbraio i loro risultati non sia casuale: si trattava
insomma di battere sul tempo gli Americani per ragioni, purtroppo, più
politiche che scientifiche.
Figura 5 La simulazione conputerizzata della collisione tra due nuclei di
piombo a velocità relativistica (la deformazione delle forme nucleari
in alto è proprio dovuta alla velocità prossima a quella
della luce). Per vedere l'immagine più grande clicca sull'immagine.
