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Lo stupore delle prese elettriche

Viaggio nell’infinitamente piccolo (pub del lunedì sera)

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Fisica quantistica. Fisica delle particelle.

La fisica delle particelle si occupa della comprensione del mondo, delle leggi della natura. Si tratta dei costituenti elementari della natura, di cosa siamo fatti, di cosa è fatta tutta la materia dell’universo.

Il bisogno di capire i mattoncini costituenti è un bisogno che l’uomo ha da sempre.

Negli ultimi 100 anni la comprensione è aumentata. Siamo fatti di molecole, che sono di atomi, che sono fatti di nucleo ed elettroni, che contengono protoni, che sono fatti di quark, e neutroni ecc.

Oggi lo studio continua al cern.

I fisici teorici elaborano dei modelli teorici. I fisici sperimentali cercano di fare delle misure e degli esperimenti che confermino i modelli teorici o trovino qualcosa di non ancora previsto, di nuovo.

Siamo fatti di atomi. Le differenze tra gli elementi della natura dipendono dalla composizione degli atomi. Questi atomi hanno al loro interno neutroni e  protoni. Questi al loro interno hanno i quark. Ma i quark sono delle onde? Come facciamo a sapere che esistono? Sono anche impossibili da isolare per una questione di legame energetico che hanno tra di loro.

La materia è fatta di particelle. La materia è vuota. L’atomo è quasi tutto vuoto. La dimensione del nucleo rispetto alla dimensione dell’atomo è un granello rispetto a una sfera di un metro. Quello che impedisce che la mia mano entri nel tavolo sono le interazioni di repulsione di natura elettromagnetica tra gli atomi superficiali della mia mano e gli atomi superficiali del tavolo. Non il fatto che tavolo e mano siano piene.

Ci sono altre particelle che non sono materia. Ci sono le particelle che formano la materia e particelle che sono responsabili delle interazioni e non sono materia. In natura ci sono delle forze, associate a dei campi (gravità, elettromagnetismo ecc). Ci sono particelle associate al campo, chiamate mediatori delle forze (i fotoni per il campo elettromagnetico, per esempio). Lo spin è una proprietà di tutte le particelle, che si dividono in bosoni e firmioni. I bosoni hanno spin intero. I fermioni sono particelle con spin semi intero. I due tipi di particelle rispettano leggi diverse. È grazie ai fermioni che gli atomi stanno in piedi, il fatto che gli elettroni debbano avere diversi numeri quantici, cioè si distribuiscano tra diversi livelli di energia intorno all’atomo. Se gli elettroni fossero dei bosoni gli atomi non esisterebbero così come sono.

Abbiamo degli strumenti che rivelano le particelle. Gli occhi sono rivelatori di particelle. Noi vediamo i fotoni, le particelle della luce. L’occhio ha un potere limitato. Poi abbiamo lenti, microscopi ecc. Con la luce non puoi andare sotto la dimensione della sua lunghezza d’onda. Non puoi dire costruisco un microscopio ottico sempre più preciso, fino all’arrivo al nucleo. I rivelatori di particelle costruiti per esempio al cern sono microscopi più potenti. Andiamo a vedere dimensioni sempre più piccole.

Se siamo un’azienda dove ci sono stipendi diversi. Stipendi da 1000 euro e stipendi da 10000 euro. C’è un fattore dieci, un ordine di grandezza. Ci sono aziende dove ci sono due ordini di grandezza. Duemila euro e 200 000 euro, due ordini di grandezza. Nella fisica dell’universo e delle particelle andiamo in scale molto grandi. La Terra rispetto a un uomo (10000 km la Terra, io 1,60, fanno sette ordini di grandezza, tra le rispettive dimensioni). Tra le dimensioni nostre, del metro, di una persona, andiamo sette ordini di grandezza più giù. Il millimetro sono tre ordini di grandezza. Altri tre ordini di grandezza arriviamo al micron. Un altro ordine di grandezza arriviamo al centinaio di nanometri, questo è l’ordine di grandezza del virus. Il virus è comunque molto più grande del mondo delle particelle: dobbbiamo scendere di altri setto o otto ordini di grandezza per arrivare alle dimensioni del nucleo dell’atomo. Sono 14 ordini di grandezza oltre il metro. Il singolo protone è 10 alla meno 15 metri, questa dimensione si chiama il Fermi, l’unità di lunghezza del protone. Arriviamo al limite tecnologico a cui siamo arrivati: non possiamo arrivare al millesimo del Fermi. Le particelle più piccole che conosciamo (elettroni e quark) sono particelle puntiformi per i nostri strumenti (non sappiamo che dimensioni hanno). Non vuol dire che saranno sempre particelle elementari. Oggi siamo arrivati a elettroni e a quark ma all’inizio del novecento nessuno sospettava che protoni e neutroni fossero particelle composte.

Come capiamo che il protone è fatto di quark? Si cerca di romperlo. Se vogliamo studiare la composizione di qualcosa bisogna romperlo. Per rompere, più la particella è piccola, più è grande l’energia che devi dare al proiettile per romperla, per entrare dentro e capire di cosa è fatta e quali sono le leggi a cui risponde. Qui entrano in gioco i due pilastri della fisica moderna: la relatività e la meccanica quantistica.

La meccanica quantistica descrive le leggi fisiche dell’infinitamente piccolo. La relatività descrive le leggi fisiche dei corpi estremamente veloci.

La fisica delle particelle mette insieme queste due teorie: studia corpi estremamente piccoli che vanno a velocità paragonabili a quella della luce.

Si ha la fisica relativistica quantistica. Spiega le leggi e le interazioni tra particelle.

Principi di indeterminazione. Perché non possiamo sapere allo stesso tempo velocità e posizione delle particelle? Dio gioca ai dadi con l’universo?

La meccanica quantistica cozza col nostro modo di pensare, per quanto sia affascinante.

Come si arriva per esempio alla scoperta del bosone di Higgs? Lì c’è tutto quel che stiamo dicendo. Si perde il determinismo e si va nell’ambito delle probabilità. Parliamo di acceleratore di particelle chiamato lhc, che è al cern. È un anello di 27 km che sta sotto il confine tra Francia e Svizzera. Dentro l’acceleratore girano protoni in un senso e nell’altro. Vengono accelerati praticamente alla velocità della luce. Una particella che ha una massa non può raggiungere la velocità della luce ma gli si può avvicinare tanto più quanta più energia le diamo. Quindi il goco qual è? Prendiamo e uguale m c quadro. Massa è energia, energia è massa, c’è una costante c al quadrato. Poca massa è tanta energia, poca massa dà tanta energia (sole, centrali nucleari…). Ci vuole tanta energia per produrre massa che sarà poca, come protoni. Dai tanta energia ai protoni che girano in modo da creare massa, cioè particelle nuove. Questi protoni girano. Sono dei pacchetti di protoni, circa cento miliardi di protoni. Come un’autostrada a due corsie lungo l’acceleratore, in quattro punti le corsie si uniscono. I due pacchetti di protoni corrono nella stessa corsia. Si attraversano cento miliardi di protoni con altri cento miliardi. Per quanto si avvicinino gli scontri sono pochi, una ventina, diciamo. Abbiamo questi scontri, quaranta milioni di scontri al secondo, ogni interazione qualche decina di scontri, ogni secondo avvengono circa un miliardo di collisioni. Le collisioni non sono tutte uguali ma assumiamo che lo siano. Non succede la stessa cosa a ogni collisione. Nel vivere quotidiano se riesco a fare urtare due palle da biliardo nello stesso mi aspetto di vedere le palle che vanno in una stessa direzione, se riproduco le stesse caratteristiche dell’evento. In meccanica quantistica non avviene questo. Anche se l’urto fosse identico quel che avviene non si sa, non è determinato. Può avvenire quel che sappiamo che avverrà con una certa probabilità. Noi sappiamo che circa una volta su un miliardo si produrrà un bosone di Higgs. La teoria ci dice questo. Questo evento avviene con una probabilità. Può avvenire o meno. Se la palla va in buca nel biliardo dipende dalle condizioni iniziali. Nella fisica delle particelle non accade questo. La particella, come il bosone di higgs, decade. Il decadimento del bosone di higgs non è deterministico. Ci sono diversi modi in cui lui decade. Può decadere in due fotoni. Noi sappiamo che decadrà in due fotoni con una certa probabilità, ma non sappiamo se questo bosone decadrà in due fotoni e quest’altro no. L’evento accade con una certa probabilità.

Cosa è un bosone di higgs esattamente? Esiste un modello, modello standard delle particelle elementari, che spiega bene ciò che si osserva in fisica delle particelle. Questo modello spiega tutto ma non la massa delle particelle. Senza l’higgs nessuna particella avrebbe massa e quindi viaggerebbe alla velocità della luce. Se hai massa ti ci avvicini ma non la raggiungi. I protoni che girano in lhc hanno il 99,999 di velocità. Il mondo non è fatto così. Le particelle hanno massa. Higgs e un altro hanno trovato un meccanismo che spiega perché le particelle elementari hanno massa. Questa viene generata da un nuovo tipo di campo, presente in tutto lo spazio e le particelle, interagendo con questo campo vengono rallentate e acquisiscono massa. Questa massa viene dall’interazione tra le particelle e il campo di higgs. Siamo passati dal concetti di forza al concetto di campo. Se c’è il sole, una massa molto grossa, c’è un campo tutto attorno al sole, il campo gravitazionale. Il campo permea tutto lo spazio. Il campo di Higgs permea tutto lo spazio. Maggiore è l’intensità dell’itnerazione della particella col campo di higgs maggiore è la massa della particella. Quindi ci sono particelle più pesanti di altre. Ok. Loro pensano che sia così. Ma come facciamo a sapere che è così? Come verifichiamo questa ipotesi? Anche il campo di higgs, come ogni campo, lascia una traccia. C’è una particella associata al campo. La particella si chiama bosone di higgs. La teoria ha detto come questa traccia sarebbe fatta (Che spin avesse, come avrebbe interagito con le particelle) e dopo cinquanta anni siamo riusciti a costruire un acceleratore per produrre quella massa e per rivelarla. nel 2012 è stato scoperto l’higgs.

Torniamo alla probabilità. Regna la probabilità su quel che succede quando i protoni si incontrano. Una volta si crea l’higgs. Una volta un’altra cosa. Non è certo, non è determinato il canale di decadimento dell’higgs. Una volta può cadere in un fotone, una in due, una in un bosone z ecc. A quel che ne sappiamo il bosone di higgs è una particella elementare. Il decadimento non è qualcosa che è dentro la particella. Il neutrone, se è in un nucleo atomico, è stabile. Da solo decade in un protone, in un elettrone e in un neutrino. Queste tre particelle non erano dentro il neutrone. È un processo. Che nel neutrone si chiama processo di forza elettrodebole. Un processo che avviene e che dà luogo a un decadimento. È una trasformazione della particella secondo alcune leggi e interazioni. Anche l’higgs segue un processo di decadimento. Probabilistico. Possiamo verificare quando si verifica quel decadimento rispetto al totale dei bosoni di higgs. Se troviamo la stessa frequenza di decadimento prevista dalla teoria possiamo dire che quella teoria è confermata.

Anche nella rivelazione delle particelle entrano in gioco fenomeni stocastici. Il bosone che decade in fotoni. I fotoni non sono di luce e per vederli devi usare un rilevatore di particelle. Quando la particella interagisce con la materia fa uscire un segnale (o può farlo dall’interazione. I fotoni in questo caso entrano in dei cristalli che hanno la probabilità di assorbire i fotoni ed emettere luce, assorbita da questi fotoni. Il rivelatore trasforma la luce in segnale elettrico. Se vedi un segnale elettrico sai che lì è passato un fotone. La stessa particella che entra allo stesso modo in una materia può comportarsi in modo diverso: anche questo fenomeno è probabilistico. Se hai capito bene il fenomeno e le leggi che ci stanno dentro sai che avverrà un processo a con una sua probabilità, un processo b con un’altra probabilità e così via.

Mariapaola

È possibile che non sappiamo tutti gli elementi della meccanica quantistica? Popper ha scritto un tot di articoli sulla meccanica quantistica e sul determinismo. Se entri nel mondo della probabilità significa che è difficile che viviamo in un mondo deterministico. O invece einstein aveva ragione e non abbiamo capito nel profondo come funziona la meccanica quantistica.

Giulio

Ci sono una serie di ambiti in cui sembra che il non determinismo sia una proprietà ontologica di particelle o campi. Abituati a pensare che la realtà fosse. deterministica e non avessimo gli strumenti per misurare queste cose. Invece no.

È proprio così. In una fase storica, fine ottocento, il genere umano pensava di aver capito tutto. Si pensava: Se io riuscissi a fotografare la situazione in un dato istante (per esempio posizione e velocità di ogni singola particella nell’universo) potrei determinare la posizione e la velocità di tutte le particelle in un dato istante. Potrei predire il futuro e dire che tra un anno dove piove o comunque potrei descrivere tutta la realtà, sia pure descritta nell’ambito delle particelle elementari. Ora in certi ambiti questo avviene. Pensiamo ai pianeti, ai satelliti, alle comete ecc. Lì, dove la fisica classica fa il suo dovere, non c’è bisogno di scomodare la meccanica quantistica. In quell’ambito le particelle sono talmente tante che le probabilità diventano certezze. Se avete un cassetto con cento palline di cui una è rossa e novantanove sono bianche può uscire quella rossa. All’aumentare del numero di palline pensiamo al numero di avogadro: 10 alla 23. Immaginiamo 10 alla 23 palline, di cui una rossa. Qual è la prob di estrarre la rossa? Non c’è la certezza di estrarre la bianca ma insomma…In questo senso le probabilità diventano certezze. Nelle orbite dei pianeti allora, se riuscissimo a conoscere la posizione e la velocità di ogni corpo celeste, potremmo conoscere posizione e velocità in ogni istante successivo. Del resto è quel che si fa se si vuol mandare una nave spaziale da qualche parte.

Nella meccanica quantistica, nel mondo delle particelle, non si può fare. Il principio di indeterminazione dice che  il prodotto tra l’incertezza della posizione e l’incertezza della velocità non può scendere sotto un certo valore. Più certo sarò sulla velocità meno certo sarò della posizione. Questo non è un limite degli strumenti ma un limite della realtà. Abbiamo allora dieci particelle e non sappiamo quando decadranno. Sappiamo che c’è una probabilità che decadano in un certo tempo. O abbiamo un fotone e due fenditure e in alcune situazioni il fotone non sarà passato né a destra né a sinistra ma sarà passato con una certa prob a destra e con un’altra a sinistra. Non è un limite sperimentale: è la realtà fisica.

Per quanto noi saremo bravi ci sarà sempre, perché è legato alla natura, un’incertezza, un’indeterminazione. Avremo sempre a che fare con probabilità quando parliamo di infinitamente piccolo.

In chimica si dice a un certo punto che l’elettrone gira attorno al nucleo non è vero. C’è un orbitale che descrive la probabilità con la quale l’elettrone si trova in una posizione attorno al nucleo o in un’altra.

Dualità onda particella. Le particelle in certe situazioni si comportano come onde e in altre come particelle. Questo è noto nel caso della luce. Uno vede la luce filtrare attraverso le finestre e vede delle linee rette, dei corpuscoli che si muovono. In altri casi vedi che si comporta come onda. Questo vale anche per gli elettroni.

La meccanica quantistica è verificata da anni. Telefonini, computer, tanti apparecchi si basano su principi di meccanica quantistica. Anche il concetto di antimateria. È qualcosa che l’uomo cha visto, ha scoperto, ha compreso l’esistenza, ha prodotto in laboratorio da decenni. Negli ospedali si usa l’antimateria. La pet. Di esperimenti la meccanica quantistica è verificata tutti i giorni. Poi ci sono esperimenti per spingere oltre il limite della nostra conoscenza. Come proprietà di particelle, come quella dell’higgs.

Se tu pensi che un elettrone sia una particella tu spari degli elettroni contro una lastra con due fenditure puoi avere gli elettroni che passano o nella fenditura di destra o in quella di sinistra. Sai invece che quando hai a che fare con delle onde, quando passano per le fenditure, hai interferenze o diffrazioni, altri fenomeni. Anche particelle di materia come gli elettroni, quando li rilevi al di là delle fenditure, mostrano fenomeni di interferenza. Non vedi che arrivano solo come particelle ma anche come figure di interferenza, che sono tipiche delle onde.

Questa dualità onda particella scontra contro il nostro modo di pensare ma un fotone o elettrone può rispondere come un’onda in certi esperimenti e come una particella in altri.

Antimateria. Domanda classica. A che serve il cern? Come cambia la vita? A parte l’esigenza di capire. C’è utilità pratica. Non potremmo fare questo colloquio su zoom senza meccanica quantistica. Il cern è stimolante. Esempio classico è web. L’web è stato creato al cern a fine anni 80. L’web ha rivoluzionato l’esistenza. Se non fosse stato lui al cern l’avrebbe inventato un altro perché i tempi erano maturi? Non è solo la sua testa. È anche essere immersi in un ambiente che ti porta a andare più in là. Se non fosse stato lui forse sarebbe stato un altro ricercatore. Da questo cercare di spingere le conoscenze più avanti si spinge anche la tecnologia più avanti. Acceleratori di particelle che dalla ricerca di base finiscono negli ospedali. Antimateria nella pet.

La ricaduta tecnologica è enorme. Vai anche nel campo della tecnica e cerchi di allargare i confini.

Quali sono gli obiettivi del cern per i prossimi dieci quindici anni? Il cern è diventata una collaborazione mondiale. Il cern è responsabile di questo acceleratore, lhc. Poi gruppi sperimentali costruiscono dei rivelatori, macchine fotografiche e microscopi che metti intorno. Il cms pesa più della torre eiffel pur essendo più compatto. Università e centri di ricerca costruiscono rivelatori, li fanno funzionare, analizzano i risultati.

Quali sono le questioni aperte? Sono tante. La scoperta del bosone di higgs è stata fondamentale per completare il modello standard. Però perché nell’universo c’è molta più materia di quanta sia l’antimateria? La teoria ci dice che c’è una simmetria perfetta tra materia e antimateria. In generale l’elettrone si comporta esattamente come la sua antimateria, l’antielettrone. Protone e positrone sono gemelli che hanno le stesse proprietà e carica opposta. Verificano le stesse leggi. Perché nel mondo c’è più materia, allora? Questa domanda al momento non ha risposta.  Nella stazione spaziale internazionale c’è un esperimento chiamato ms. Anche quello ha come scopo di rispondere a questa domanda, come ce l’ha lhc. Lhc ha il vantaggio di poter studiare tutti gli aspetti della fisica.

Poi il gravitone. A ogni forza è associato un mediatore della forza. Forza elettromagnetica – fotone. Forza nucleare debole – bosoni wz (quelli che han fatto vincere il nobel a Rubbia). Forza nucleare forte – gluoni. Forza di gravità – ? Non è mai stato osservato il mediatore della forza. Molti modelli lo prevedono e lo chiamano gravitone. Ma non è mai stato osservato. La scoperta del gravitone apre una finestra enorme nella fisica oltre il modello standard. Lhc cerca di rispondere a questo problema.

In quante dimensioni viviamo? Percepiamo tre dimensioni. La quarta dimensione è il tempo. Questo non necessariamente vuol dire che questa sia la realtà fisica. Potrebbero esistere altre dimensioni che non riusciamo a percepire. Esempio classico. Puntino sul palloncino. La formichina pensa di vivere in un mondo bidimensionale e non percepisce che ci sia una terza dimensione. L’universo potrebbe essere immerso in una bolla multidimensionale. Anche a questa domanda lhc cerca di rispondere.

Altra domanda. Cerchiamo di scoprire la materia oscura. La materia oscura è qualcosa che noi pensiamo che ci sia, che esista, ma non l’abbiamo mai rilevata, osservata. La materia oscura è una materia non ordinaria, cioè non viene rivelata on gli ordinari strumenti, non viene percepita, non interagisce come la materia ordinaria. Pensiamo che ci sia per le prove indirette. La rotazione delle galassie non si spiega, è molto più veloce di quel che sarebbe se ci fosse solo materia ordinaria. Ci deve essere qualcosa nell’universo che attrae gravitazionalmente e quindi fa sì che certe galassie ruotino più velocemente, se crediamo come crediamo nella forza di gravità. Ci deve essere ma non lo percepiamo. Non è stelle, non è galassie, non è polvere ecc.

Peraltro la dark matter, se teniamo la teoria della gravità come la conosciamo e determiniamo la materia che ci deve essere nell’universo per spiegare questa attrazione gravitazione che dà luogo a queste rotazioni, viene fuori che la materia oscura deve essere sei sette volte più della materia ordinaria. Anche questo è uno degli scopi della ricerca di base e di lhc.

Luca Romano.

Riccardo paramatti

Chiunque ha degli aspetti della teoria che non lo convincono. Nella testa degli addetti ai lavori i dubbi sono anche di più.

I paradossi della meccanica quantistica.

Luca Romano.

Due domande.

Il modello della rottura spontanea di simmetria durante l’epoca inflattiva dell’universo viene verificato e se sì quali? La rottura spontanea di simmetria è un meccanismo tipico della teoria di higgs. Hai una simmetria perfetta che si rompe e questo fenomeno dà luogo al campo di higgs e poi al bosone di higgs. La curva di potenziale dell’higs è il sombrero. Se immaginate un sombrero e immaginate di metterci una pallina sopra la situazione simmetrica è quella in cui la pallina sta in cima al sombrero. Però non è una situazione stabile di equilibrio. L’equilibrio stabile ce l’hai quando la pallina rotola e va all’avvallamento del sombrero. Quindi una fluttuazione può far precipitare una situazione simmetrica in una asimmetrica ma più stabile dal punto di vista energetico. Se ruoti il cappello lo vedi sempre uguale a se stesso, se la pallina sta sopra. Se la pallina scivola, se ruoti, il sistema non è più uguale perché la pallina ce l’hai a destra o a sinistra o davanti o dietro. Ci sono tanti tipi di simmetria in fisica. Simmetria vuol dire che il sistema fisico è uguale se cambi. C’è la simmetria di inversione del tempo: una legge fisica vale sia che il tempo scorra indietro che in avanti. Ci sono delle simmetrie in natura e sono diverse e sono molto studiate perché una teoria simmetrica è affascinante e bella.

La Terra intorno al sole o il sole intorno alla terra? La spiegazione che c’era nel modello tolemaico era molto complicata. Bisognava pensare a orbite complicate perché devi giustificare che dove vedi venere o giove in cielo e accordare quel che vedi con una teoria. Se metti la terra al centro e il sole che le gira intorno e anche gli altri pianeti non che sia impossibile spiegare, però hai bisogno di una teoria pesante e complicata. Copernico mette il sole al centro e improvvisamente tutti i pianeti hanno la stessa orbita, rispettano le stesse leggi, la teoria è più elegante a parte che è corretta. I fisici hanno preferenza per una teoria elegante, con alto grado di simmetria, semplice. Se  una teoria semplice spieghi tanti fenomeni diversi in uno stesso modo è preferibile. Poi ogni teoria va verificata con gli esperimenti. Se i dati sperimentali non concordano con questa teoria l devi rigettare.

Spiegazioni della asimmetria osservata tra materia e antimateria sono tante. Ci sono esperimenti ovunque. Studi sulla violazione di cb, studi sull’origine dell’universo ecc. lhc studia le particelle nello stato finale, cioè i prodotti dei decadimenti, materia e antimateria e vede se ci sono delle discrepanze su come si comporta la materia e come si comporta l’antimateria. Se avessimo un risultato diverso tra materia e antimateria in lhc e lo osservassimo sarebbe un campanello, qualcosa di inaspettato, che in qualche modo metterebbe luce su questa asimmetria.

Stato negato di pentaquark. Materia esotica. Da dieci anni vengono osservate nuove risonanze.

All’interno delle particelle ci sono tre quark. I quark non possono essere osservati isolati. La cromodinamica quantistica dice che i quark non possono vivere isolatamente ma in stati legati che hanno delle particolarità, delle simmetrie. Una particella può essere prodotta da due quark, un quark e antiquark e si chiama mesone, o da tre quark io tre antiquaurke si chiama parione. Il protone è formato da tre quark. In realtà è formato anche da quark di valenza, ma anche da un mare di quark, in potenza, e di gluoni. Diciamo che ci sono tre quark che formano un protone, tre antiquark che formano un antiprotone, un pione che è formato da un protone e antiquark ecc. Ci sono o due o tre quark. Ci sono delle particelle formate da più di tre quark, che si sono scoperte negli ultimi dieci anni: tetraquark o pentaquark. C’è dibattito su cosa siano queste particelle. O sono davvero degli stati di tetraquark oppure due particelle quark antiquark che formano una molecola così come due atomi di idrogeno formano una molecola di idrogeno. Cioè siano due entità separate che si legano tra di loro.

Il pentaquark è più recente. È possibile che siano degli stati molecolari.

Questo aiuta a comprendere le interazioni tra particelle e la teoria delle interazioni nucleari forti. Come funziona l’interazione ta quark, gluoni ecc., cioè.

Sempre per la natura probabilistica non basta osservare una singola particella. Prima di dichiarare una scoperta di una nuova particella dobbiamo avere una confidenza oltre a una certa soglia. Si parlava di cinque sigma. Sono un livello oltre il quale la probabilità che la tua scoperta non lo sia è così bassa che ritieni di poterla annunciare al mondo. È una soglia di sicurezza. Nei nuovi fenomeni ci può essere sempre dietro la fluttuazione statistica. Nuovi stati della materia potrebbero essere confermati o non esserlo. È successo molte volte. Bisogna stare attenti ad annunciare scoperte tanto in fretta.

Ci sono lavori in corso sui pentaquark. Sui tetraquark la ricerca è più solida a oggi.

Ci sarà qualcosa all’interno dei quark? Al momento il quark è una particella elementare come l’elettrone. È l’ente ultimo. Però ci siamo già passati. Atomo si chiama indivisibile. Tu pensi di essere arrivato al costituente elementare ma magari tra trent’anni hai una tecnologia o un esperimento che ti fa passare una frontiera e tu scopri che le particelle ritenute elementari siano in realtà composte e esiste un nuovo livello per indagare il quale hai bisogno di strumenti più potenti.

Dibattito sulla teoria delle stringhe o meglio ipotesi delle stringhe. Secondo questa ipotesi il costituente ultimo della materia sono queste stringhe, queste membrane che costituirebbero un livello più fondamentale. Per ora mancano le verifiche sperimentali.

Ci sono teorie, stringhe, supersimmetria, affascinanti. Costruzioni mentali affascinanti che spiegherebbero dei fenomeni ma finché non si verificano restano delle teorie.

Higgs ha vinto il nobel più di cinquanta anni dopo aver messo su carta la sua teoria perché ha aspettato che venisse confermata la scoperta del bosone di higgs.

Cosa è la teoria della supersimmetria? Prevede che oltre a tutte le particelle osservate e previste dal modello standard esistano altre particelle che sono le relative particelle supersimmetriche. La cosa è analoga a materia antimateria. Nella supersimmetria a ogni particella ordinaria corrisponde una particella supersimmetrica che ha uno spin diverso. Il partner del bosone sarebbe il fermione, per esempio. Questa teoria è affascinante e riuscirebbe a spiegare diverse domande come quelle precedenti. L’unificazione delle diverse forze, per esempio.

Il processo di unificazione delle forze viene da lontano. La storia della scienza è costellata di passaggi in cui si comprende che fenomeni diversi come la terra intorno al sole e l’oggett oche cade in testa o magnetismo e elettricità vengono spiegati con la stessa teoria. Gravità o elettromagnetismo.

La teoria elettrodebole ha unificato altre due interazioni. Spiega per esempio cosa avviene nel sole o nel decadimento del neutrone. È alla base del modello standard.

La supersimmetria ci farebbe fare un passaggio ulteriore. Finora non sono state osservate particelle supersimmetriche. Sarebbe una scoperta che aprirebbe un mondo supersimmetrico

Come si spiega l’origine dell’universo con materia e antimateria che non si sono cancellati?

Ci sono teorie varie che mettono insieme diversi aspetti. Le stringhe col mondo a più dimensioni oppure questo con la supersimmetria. Ci sono teorie diverse che prendono più teorie e le mettono insieme.

Puoi spiegare la nascita dell’universo in diversi modi. Ci sono dei modelli, abbiamo i vincoli dei dati sperimentali. Lhc torna indietro fino al big bang? No, ti ci avvicini ma non puoi arrivarci. Il qualcosa iniziale è diverso a seconda delle teorie.

La fisica è come un libro scritto in una lingua straniera chiamata matematica. Il nostro cervello ragiona in tre dimensioni, concepisce il tempo in un modo solo. Non riesco a immaginare un’ipersfera ma capisco l’equazione dell’ipersfera. Che è una sfera in più di tre dimensioni.

I modelli a più dimensioni non si limitano ad aggiungere una dimensione, sono tante dimensioni e spiegano perché ci sono.

Si sta lavorando a una seconda fase di lhc, e luminosity.

Ci sono altre opzioni. Acceleratori circolari (sfrutti l’orbita tante volte, prima di scontrarsi i protoni fanno undicimila volte i 27km in un secondo, linear collider (che si scontrano in un punto dopo pochi km). Europa, cina, giappone sono interessati alla costruzione. Naturalmente la cooperazione è mondiale e per costruire queste macchine ci vogliono dieci anni. A che energia scontri queste particelle? Alla più grande energia che posso dare è la scelta più ovvia per scoprire qualche particella nuova. Magari non ho scoperto particelle perché aveva massa grande per l’energia che ho dato.

se costruissi una macchina le cui due particelle danno energia pari al bosone di higgs riuscirei a produrre tanti bosoni di higgs in condizioni puilte e riesco a studiare delle proprietà con una precisione impensabile. Anche in questo modo potrei scoprire nuova fisica. Perché hai la teoria standard che dice che quel processo ti darà che misurerai 10, la extra dimension misura 15, la supersimmetria dice che misuri 20, se misuri 20 non scopri una particella supersimmetrica ma hai un indizio sulla sua veridicità.

Quindi si discute sul tipo di acceleratore (probabilmente se ne farà uno lineare e uno circolare) e poi quali particelle vuoi far collidere.

Poi c’è il muon collider, acceleratore circolare che fa collidere i muoni. Sono particelle, elettroni più pesanti e più instabili. Noi siamo attraversati da pioggia di muoni che viene dai raggi cosmici. Sono particelle familiari ma non è mai stato creato un acceleratore che le fa scontrare. Ci sarebbero difficoltà di costruzione enormi e possibili vantaggi enormi.

La grandezza di questi strumenti è tale che ormai ci vogliono collaborazioni mondiali e questo stimola alla formazione di centri di ricerca formati da persone di tutto il mondo. Al cern già lavorano indiani e pachistani, israeliani e palestinesi.

Entanglement. L’entanglement non permette il teletrasporto ma esiste il teletrasporto quantistico di informazioni per cui lo stato di una particella viene copiato in un’altra particella arbitrariamente distante tramite l’entanglement ma è l’informazione che ha viaggiato. Non è la particella che ha viaggiato. Il quantum entanglement sono degli stati di due o più particelle in cui una proprietà delle particelle come lo spin di un elettrone, lo stato di polarizzazione di un protone o altre cose, presenta una correlazione tra le due particelle. Dato il valore della proprietà nella particella a conosco il valore della stessa proprietà nella particella b senza doverlo misurare. Questa cosa terrorizzava einstein: se ho uno stato sovrapposto e effetto una misura e determino il valore anche dell’altra particella è come se l’informazione si fosse trasmessa a velocità superiore a quella della luce. In realtà non vanno considerate le particelle come oggetti separati mentre fanno parte di un singolo stato quantistico. Non possiamo concepirle separabile perché hanno una funzione di onda non fattorizzabile. La loro funzione d’onda non può essere separata in due funzioni di onda, una per a e una per b. Se misuri il sistema hai il valore del sistema e quindi di tutte le particelle di cui è composto.

L’entanglement è affascinante. Due particelle spazialmente separate, anche ai capi opposti dell’universo si ricordano l’una dell’altra, si ricordano, quando una viene modificata anche l’altra viene modificata. Questo è affascinante. Questa unione a distanza vale nello spazio ma non nel tempo. Posso conservare la proprietà delle particelle anche separandole e portandole lontano e questa è una cosa romantica ma una volta che una particella interagisce con qualcosa la sovrapposizione di stati viene meno, l’altra particella finisce in uno stato differente e le due particelle smettono di parlarsi. Quindi la loro unione resta anche se le distanziamo ma solo finché una non interagisce con qualcosa.

Perché zichichi sostiene di aver scoperto l’antimateria? L’opinione su zichichi non la dico se no ci denunciano (luca romano). Riccardo: zichichi ha diversi meriti, uno è quello di essere riuscito a far diventare l’istituto di fisica nucleare un ente con più risorse, è stato bravo nella gestione di questo ente, è sua l’idea del laboratorio sotto il gran sasso con sale sperimentali dirette verso il cern, quindi in quel momento aveva una strategia a lungo termine, poi c’è stato un esperimento di neutrini dal cern al gran sasso, il fatto di avere il laboratorio fatto in quel modo ha permesso anni dopo questo esperimento. Poi dire di aver scoperto l’antimateria è un altro discorso. L’antimateria è osservata già da decenni. Scoperte di particelle di antimateria poi ci sono state nella storia, specie nella seconda metà del novecento. In questi esperimenti c’era anche lui come tanti altri.

Libri

Testo facile da capire ma non troppo banale su questi concetti. Libro di meccanica cquantistica di luskin non ci capiva niente. Hawking più facile da capire? Libro delizioso: flatlandia. Attraverso la descrizione del mondo di esseri bidimensionali che si rendono conto delle tre dimensioni si può capire il mondo a più dimensioni.

Libro che ha cambiato la vita? Godel escher bach. È un’opera d’arte nell’uso delle parole. Vedi la simmetria in quel che scrive e negli argomenti. La traduzione in italiano non perde niente.

Alessandro palma, che conosce giulio da venticinque anni e ha indicato riccardo paramatti come esperto di questa materia. Ha preso il dottorato grazie a riccardo, dice alessandro.

brian greene

È come le marce della macchina. Un acceleratore accelera all’inizio, un altro acceleratore, poi un altro ancora. Gli acceleratori vecchi oggi sono pre acceleratori di lhc. Non ci sono acceleratori che portano da zero a cento le particelle.

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