Cosmologia in laboratorio

Riprodurre il Big Bang in laboratorio è impossibile. Tuttavia, si potrebbe simulare la transizione di fase che ha portato ai “difetti” necessari per la creazione della materia e dell’Universo. Senza bisogno di “mostri” come quelli del CERN, i primi momenti dell’Universo e la strategia usata per formarlo potrebbero essere “facilmente” riprodotti in laboratorio. Questo articolo si lega facilmente alla serie che uscirà tra non molto…

Non è un segreto per nessuno che uno dei massimi problemi della cosmologia sia quello legato all’origine dell’Universo. Quali forze lo crearono circa 13.7 miliardi di anni fa? Come si riuscì a rompere la simmetria che governava il vuoto quantistico e a formare la materia che diede poi origine alle stelle e alle galassie? E’ stata una transizione di fase a separare la gravità dalle altre forze e ingigantire, attraverso l’inflazione, le infinitesime variazioni esistenti subito dopo il Big Bang? Le teorie sono accurate e ragionevoli, ma manca una parte fondamentale della Scienza: la verifica sperimentale. La Scienza ha saputo avvicinarsi sempre di più all’origine del tutto, ma il Big Bang rimane, purtroppo, un esperimento che non si può ripetere. Tuttavia, in linea di principio, si potrebbe realizzare in laboratorio la rottura del principio di simmetria e le sue conseguenti azioni perturbatrici. In altre parole, l’istante immediatamente successivo al “grande botto”.

Sembrerebbe fantascienza e invece qualcuno c’è riuscito. Sono stati usati ioni, raffreddati con un fasci laser, per formare cristalli ionici e si è mostrato, per la prima volta, come si può rompere la simmetria in modo controllato e come si possono osservare i “difetti” che ne derivano. La realizzazione di questi “difetti” topologici in un sistema perfettamente controllato apre enormi possibilità per lo studio diretto delle transizioni di fase quantiche e della dinamica di sistemi complessi non in equilibrio.

La ricerca vede coinvolti il laboratorio di Los Alamos, l’Università di Ulma e l’Università di Hebrew (Israele).  I difetti topologici sono errori nella struttura spaziale causati dalla rottura di simmetria, che si originano quando le particelle non riescono a comunicare tra loro (proprio ciò che caratterizza l’Universo post inflazione). I difetti si formano durante una transizione di fase e si presentano come zone in disaccordo tra loro. Le proprietà simmetriche dei cristalli ionici sono perfettamente confrontabili con quelle dell’Universo primitivo.

In pratica è stato usato un sistema complesso di particelle su cui è stato inserito intenzionalmente un cambiamento delle condizioni esterne in modo da ottenere la rottura di simmetria. Allo scopo si sono usati ioni di itterbio che sono stati “intrappolati” in una zona a ultra-vuoto e sono stati raffreddati fino a pochi millikelvin con fasci laser. Le particelle, con carica positiva, si respingono l’una con l’altra all’interno della trappola e a quella bassissima temperatura assumono una struttura cristallina.

Se i parametri della trappola vengono fatti variare più velocemente della velocità del suono nei cristalli, si formano difetti topologici mentre gli ioni cercano di assumere una nuova configurazione di equilibrio. Si ottiene, così, un sistema ideale per analizzare le proprietà fisiche di una transizione che rompe la simmetria. Il nuovo orientamento spontaneo dei cristalli ionici segue le stesse regole dell’Universo immediatamente dopo il Big Bang.

cristalli ionici
La figura mostra gli ioni di itterbio in un cristallo, ripresi con una camera elettronica speciale. Gli atomi ionizzati diventano fluorescenti se investiti da luce laser. La distanza tra gli ioni è dell’ordine di 10-20 micron. In (a) vi è simmetria radiale nella “trappola”e gli ioni si mostrano come una collana di perle. In (b) la simmetria cambia rapidamente e diventa speculare: gli ioni sono liberi di scegliere una nuova struttura. In particolare ne possono ottenere due entrambe vantaggiose. Zone che non possono comunicare tra loro scelgono indipendentemente una delle due. I difetti topologici si formano quando due zone che hanno preso decisioni diverse si scontrano tra loro. La ricerca dell’omogeneità genera irregolarità che daranno luogo alla materia. Omogeneità, quindi, ma con parecchi “difetti”. Fonte: Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB).

Il lavoro e le sue conseguenze ben più generali sono legate al meccanismo detto di Kibble-Zurek, relativo ai difetti topologici indotti nelle prime frazioni di secondo dopo il Big Bang. In quel momento è avvenuta una rottura di simmetria e l’Universo appena nato ha dovuto decidere quale nuovo stato adottare. Molte zone individuali non potevano comunicare tra loro la decisione presa e si formarono dei “difetti”  tipici delle transizioni di fase. L’impossibilità di scambiarsi informazioni ha quindi vietato un comportamento completamente omogeneo. L’inflazione ha velocemente escluso qualsiasi adattamento successivo. L’esperienza di laboratorio ha, tra l’altro, mostrato che i difetti dipendono fortemente dalla velocità con cui avvengono i cambiamenti delle condizioni del sistema complesso.

Si è solo all’inizio, ma i cristalli ionici e il loro comportamento potrebbero veramente essere il campo di ricerca più proficuo per lo studio dettagliato delle transizioni di fase e dei loro effetti su un sistema complesso, molto simile a quello presente nei momenti immediatamente successivi al Big Bang. C’è aria di Nobel ?

L’argomento non è sicuramente semplice e posso dare solo una sintesi estremamente semplificata. Tuttavia, la problematica può servire per fornire un primo quadro d’insieme dello scopo degli articoli che a settembre-ottobre (occhio permettendo) porteranno in primo piano il modello standard, il vuoto quantico, l’inflazione, le sue possibili cause e -magari- anche cosa c’era “prima” del Big Bang. Un “prima” molto strano dato che non c’era il tempo.

Il lavoro originario (a pagamento) si trova QUI

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7 Commenti    |    Aggiungi un Commento

  1. Mmmh curioso e molto interessante, terró sicuramente a mente questo articolo quando leggeró il megaspecialone in arrivo....sará di certo un'esperienza stimolante.

  2. Sperando di non dire sciocchezze mi sembrava di aver sentito che un cambiamento di fase avviene quando l'universo passa da una situazione di equilibrio ad una situazione di equilibrio a minor dispendio di energia.
    Quindi mi sembrava di aver capito che ognuna delle 4 forze sia nata a seguito della rottura della simmetria a causa di cambiamenti di fase con passaggio dell'universo a equilibri ad energie via via inferiori...
    Inoltre, stando a questo ragionamento, e visto che l'universo non ha ancora raggiunto lo zero assoluto, in linea teorica è possibile anche che si possa creare un'altra rottura di simmetria per passaggio ad energia più bassa con conseguente distruzione dell'universo come noi lo conosciamo...
    Però è altamente improbabile in quanto in laboratorio abbiamo, come dice Enzo, quasi toccato lo zero assoluto senza creare danni irreversibili!

  3. Citazione Originariamente Scritto da alexander Visualizza Messaggio
    Sperando di non dire sciocchezze mi sembrava di aver sentito che un cambiamento di fase avviene quando l'universo passa da una situazione di equilibrio ad una situazione di equilibrio a minor dispendio di energia.
    Quindi mi sembrava di aver capito che ognuna delle 4 forze sia nata a seguito della rottura della simmetria a causa di cambiamenti di fase con passaggio dell'universo a equilibri ad energie via via inferiori...
    Inoltre, stando a questo ragionamento, e visto che l'universo non ha ancora raggiunto lo zero assoluto, in linea teorica è possibile anche che si possa creare un'altra rottura di simmetria per passaggio ad energia più bassa con conseguente distruzione dell'universo come noi lo conosciamo...
    Però è altamente improbabile in quanto in laboratorio abbiamo, come dice Enzo, quasi toccato lo zero assoluto senza creare danni irreversibili!
    Credo Che Enzo Volesse sottolineare L'impossibilità (a causa dell'inflazione) delle varie "particelle" che stavano nascendo di poter comunicare tra di loro, la temperatura non è paragonabile, è non è importante. L' "inflazione" è stata simulata con un' onda d'urto supersonica. in questo modo gli ioni adiacenti non "sapevano" cosa stesse facendo lo ione appena più in là rompendo così la simmetria, analogamente a quanto si presume fosse successo alla nascita del nostro universo, il brodo di quark presumibilmente ordinato investito da un'onda inflattiva cominciò in maniera "disordinata" a formare materia barionica che è la materia visibile.

    Un altro esempio di rottura di simmetria che mi viene in mente è la nebbia. microparticelle d'acqua che in condizione di quiete si respingono elettrostaticamente, quando un'automobile o un camion davanti a noi perturba la quiete con un'onda d'urto (anche se non supersonica) esse formano dei vortici che costringono le microgocce ad unirsi e ce le troviamo sul parabrezza.

    Ora è meglio che vada a dormire prima di dire altre cavolate!

  4. Citazione Originariamente Scritto da Beppe Visualizza Messaggio
    Credo Che Enzo Volesse sottolineare L'impossibilità (a causa dell'inflazione) delle varie "particelle" che stavano nascendo di poter comunicare tra di loro, la temperatura non è paragonabile, è non è importante. L' "inflazione" è stata simulata con un' onda d'urto supersonica. in questo modo gli ioni adiacenti non "sapevano" cosa stesse facendo lo ione appena più in là rompendo così la simmetria, analogamente a quanto si presume fosse successo alla nascita del nostro universo, il brodo di quark presumibilmente ordinato investito da un'onda inflattiva cominciò in maniera "disordinata" a formare materia barionica che è la materia visibile.

    Un altro esempio di rottura di simmetria che mi viene in mente è la nebbia. microparticelle d'acqua che in condizione di quiete si respingono elettrostaticamente, quando un'automobile o un camion davanti a noi perturba la quiete con un'onda d'urto (anche se non supersonica) esse formano dei vortici che costringono le microgocce ad unirsi e ce le troviamo sul parabrezza.

    Ora è meglio che vada a dormire prima di dire altre cavolate!
    Non voglio cercare spiegazioni o descrizioni parziali. Il problema delle "comunicazioni" tra particelle elementari sarà dibattuto introducendo la MQ. E' meglio non mettere carne al fuco e partire tutti insieme dall'inizio. Per fare ciò dovrete accettare molta lentezza e parecchie ripetizioni. Lo "scoop" arriverà a suo tempo... senza fretta.

  5. Citazione Originariamente Scritto da Vincenzo Zappalà Visualizza Messaggio
    Non voglio cercare spiegazioni o descrizioni parziali. Il problema delle "comunicazioni" tra particelle elementari sarà dibattuto introducendo la MQ. E' meglio non mettere carne al fuco e partire tutti insieme dall'inizio. Per fare ciò dovrete accettare molta lentezza e parecchie ripetizioni. Lo "scoop" arriverà a suo tempo... senza fretta.
    Mmmmh quest'uomo ha un piano.... Non vedo l'ora!!!

  6. molto emozionante, tra l'altro, non so come , pur non sapendo nulla di formule matematiche il senso è perfettamente comprensibile anche per me, perfino il difetto topologico....