La fisica si occupa di sondare i misteri più fondamentali della natura, quindi non è una sorpresa che i fisici abbiano in mente alcune domande fondamentali sull’universo. Recentemente, Symmetry Magazine (pubblicato da due laboratori di fisica finanziati dal governo degli Stati Uniti) ha chiesto a un gruppo di fisici delle particelle di nominare le domande aperte in fisica a cui vogliono più risposte. Ecco un campione dei quesiti che hanno condiviso:

“Quale sarà il destino del nostro universo?”

Il poeta Robert Frost chiese notoriamente se il mondo sarebbe finito nel fuoco o nel ghiaccio, e i fisici non sanno ancora rispondere alla domanda. Il futuro dell’universo – la domanda nominata da Steve Wimpenny dell’Università della California, Riverside – dipende in gran parte dall’energia oscura, che a questo punto è un’entità sconosciuta. L’energia oscura è responsabile dell’accelerazione dell’espansione dell’universo, ma le sue origini sono del tutto misteriose. Se l’energia oscura è costante nel tempo, è probabile che in futuro si verifichi un “grande congelamento”, in cui l’universo continuerà ad espandersi sempre più velocemente, e alla fine le galassie saranno così distanti l’una dall’altra che lo spazio sembrerà una vasta terra desolata. Se l’energia oscura aumenta, questa espansione potrebbe essere ancora più grave, in modo che non solo lo spazio tra le galassie, ma lo spazio all’interno di esse si espanda, e le galassie stesse vengono strappate, un destino soprannominato il “grande strappo”. Un’altra opzione è che l’energia oscura diminuisca in modo tale da non poter contrastare la forza di gravità che tira verso l’interno, causando la caduta dell’universo su se stesso in un “big crunch”. Quindi, in pratica, in qualunque modo vada, siamo spacciati. Il lato positivo è che nessuna di queste eventualità dovrebbe verificarsi per miliardi o trilioni di anni – un sacco di tempo per decidere se speriamo nel fuoco o nel ghiaccio.

“Il bosone di Higgs non ha assolutamente senso. Perché esiste?”

Il tono di questa domanda era scherzoso, dice il suo richiedente, Richard Ruiz dell’Università di Pittsburgh, ma indica una mancanza di comprensione molto reale sulla natura della particella notoriamente scoperta l’anno scorso al Large Hadron Collider (LHC) in Europa. Il bosone di Higgs aiuta a spiegare come tutte le altre particelle abbiano ottenuto la loro massa, ma solleva molte altre domande. Per esempio, perché il bosone di Higgs interagisce con ogni particella in modo diverso – il quark superiore interagisce molto più fortemente con l’Higgs rispetto all’elettrone, dando al quark superiore una massa molto più grande dell’elettrone. “Questo è l’unico esempio di una forza ‘non universale’ nel Modello Standard”, dice Ruiz. Inoltre, il bosone di Higgs è la prima particella fondamentale trovata in natura con zero spin. “Questo è un settore completamente nuovo nella fisica delle particelle del Modello Standard”, dice Ruiz. “

“Perché l’universo è così squisitamente equilibrato che la vita può esistere?”

In base alle probabilità, non dovremmo essere qui. Galassie, stelle, pianeti e persone sono possibili solo in un universo che si è espanso alla giusta velocità durante i suoi primi giorni. Questa espansione è stata governata dalla spinta verso l’esterno dell’energia oscura in guerra con l’attrazione gravitazionale verso l’interno della massa dell’universo, che è dominata da un tipo invisibile chiamato materia oscura. Se queste quantità fossero state diverse – se l’energia oscura fosse stata solo un po’ più forte dopo la nascita dell’universo, per esempio, lo spazio si sarebbe espanso troppo velocemente perché si formassero galassie e stelle. Ma un pizzico di energia oscura in meno avrebbe fatto collassare l’universo su se stesso. Allora perché, si chiede Erik Ramberg del Fermilab di Batavia, Ill, sono così perfettamente bilanciati per permettere l’universo in cui viviamo? “Non conosciamo una ragione fondamentale per cui questo equilibrio dovrebbe esistere”, dice Ramberg. “Non c’è dubbio che la quantità di energia oscura nell’universo sia il numero più squisitamente regolato nella storia della fisica.”

“Da dove vengono i neutrini astrofisici?”

I neutrini ad altissima energia sono previsti derivare dalle collisioni di particelle cariche veloci chiamate raggi cosmici con particelle leggere (fotoni) nella radiazione cosmica di fondo a microonde che pervade l’universo. Ma cosa mette in moto questo processo, e come i raggi cosmici vengono accelerati, sono questioni aperte. Un’idea principale è che la materia che cade nei buchi neri supermassicci affamati al centro delle galassie dia origine ai raggi cosmici – ma non c’è ancora nessuna prova di questa ipotesi. Si pensa che i neutrini risultanti viaggino così velocemente che ogni particella minuscola abbia al suo interno tanta energia quanto una palla da baseball lanciata veloce (che ha miliardi di miliardi di atomi). “Non riusciamo nemmeno a capire da dove vengano queste cose”, dice Abigail Vieregg del Kavli Institute for Cosmological Physics dell’Università di Chicago, che ha posto la domanda. “Se lo scopriamo, possiamo conoscere le fonti che stanno accelerando queste particelle a energie estremamente elevate”.

“Come mai l’universo è fatto di materia e non di antimateria”

L’antimateria è come la materia nel giorno opposto: ha le stesse proprietà della roba che compone pianeti, stelle e galassie, ma un pezzo vitale è diverso: la sua carica. Si suppone che l’universo sia iniziato con parti uguali di materia e antimateria, ma in qualche modo la materia ha vinto, con la maggior parte di entrambe le sostanze che si sono annichilite a vicenda poco dopo il big bang, lasciando un piccolo surplus di materia. Perché l’antimateria abbia perso questo tiro alla fune è un’ipotesi. Gli scienziati sono impegnati nella ricerca di processi chiamati violazioni della parità di carica, dove le particelle preferiscono decadere in materia e non in antimateria, per spiegare la disparità. “Siamo particolarmente interessati a cercare di vedere se le oscillazioni dei neutrini sono diverse tra neutrini e antineutrini”, dice Alysia Marino dell’Università del Colorado, che ha condiviso la domanda con Symmetry. “Questo è qualcosa che non è stato visto finora, ma speriamo che la prossima generazione di esperimenti lo esamini in modo più dettagliato.”

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