Il meraviglioso della materia e della vita

Nebulosa V838 MonocerotisPubblichiamo qui di seguito il testo integrale dell’intervista rilasciata dal Prof. Luigi Secco nella puntata del 5 gennaio 2009.

di Luigi Secco
Titolare del corso di Fisica della Gravitazione presso il Dipartimento di Astronomia dell’Università degli Studi di Padova


Il Bosone di Higgs

Le particelle subatomiche, ossia i costituenti degli atomi che hanno dimensioni inferiori all’atomo stesso (quest’ultimo è pari a circa 10^-8 cm), si possono dividere in due grandi classi: i bosoni e i fermioni.

I fermioni, i costituenti della materia ordinaria di cui siamo fatti anche noi, sono il protone, il neutrone (particelle del nucleo atomico), e l’elettrone, particella che ruota intorno al nucleo dell’atomo e che rende la sua carica elettrica nulla.

I bosoni sono i mediatori delle forze. Le forze fondamentali della natura sono quattro: la forza gravitazionale, la forza forte, la forza debole e quella elettromagnetica. Nella visuale moderna le forze si possono leggere come scambi di particelle virtuali, chiamate bosoni, fra due particelle materiali. Per esempio, due elettroni ad una certa distanza possono avere un effetto fra loro repulsivo. Questo effetto repulsivo si può leggere come uno scambio di fotoni virtuali fra le due particelle. I fotoni sono infatti bosoni, come lo sono i gluoni, particelle di scambio per le interazioni fra nucleoni nel caso della forza forte.
La particella di Higgs è un bosone che ha una massa molto rilevante. Infatti, a differenza, per esempio, del fotone e del gluone che hanno massa nulla, sembra che il bosone di Higgs abbia una massa piuttosto grossa: circa 100 volte quella del protone, che è pari a 1.67 x 10^–27 kg. Per capire il ruolo della particella di Higgs bisogna andare ai primissimi istanti dell’evoluzione del cosmo, a circa 10^-11 secondi dopo il Big Bang. A quell’epoca, le due forze fondamentali, debole ed elettromagnetica, sono unificate: si può dire che sono una forza unica. Il mediatore di questa forza unica è una particella non dotata di massa.

Ma andiamo con ordine. L’interazione debole avviene tramite bosoni molto pesanti, l’interazione elettromagnetica ha, invece, bisogno di bosoni di massa zero, come lo è il fotone. Come è possibile che due forze che necessitano di mediatori molti diversi, sono un’unica forza? A quell’epoca, sopra un certo livello di energia, praticamente tutti i bosoni sono privi di massa: sia il fotone per sua natura, sia i mediatori della forza debole, ossia le particelle W ^+ , W^ – e la particella Z0, scoperta dal Prof. Rubbia al CERN di Ginevra. Grazie all’espansione dell’Universo, l’energia cala leggermente e i mediatori della forza debole acquistano massa. Quindi, le particelle W ^+,  W^ – e la particella Z0 acquistano una massa che è circa 100 volte la massa del protone, mentre il fotone rimane con massa nulla. E’ il bosone di Higgs a compiere questo piccolo “miracolo”, dando massa ai mediatori della forza debole e lasciando intatta la massa del fotone, che continua a rimanere nulla. Si tratta di un piccolo miracolo nel senso che una forza unificata che inizialmente era caratterizzata dall’avere come unico valore quello nullo della massa dei suoi mediatori, viene ad avere una massa ben precisa, al di sotto ad un certo livello di energia dell’Universo e grazie alla sua stessa espansione.

Quando sento il bosone di Higgs definito come la particella di Dio, mi meraviglio nel senso che tutto è di Dio! Credo, comunque, che si voglia sottolineare con questa denominazione il fatto che il bosone di Higgs dà una massa ben precisa ai mediatori della forza debole, le particelle W ^+ W ^– e Z0.
Il motivo per cui le particelle debbano avere una determinata massa è un bel prolema, così come lo è l’intensità delle forze: perché le forze devono avere quel preciso valore che noi conosciamo e non un altro? Si capisce che il valore delle forze e delle masse sono intimamente legati al fatto che noi esistiamo. L’Universo è fatto in modo tale che la vita ad un certo momento ha potuto sbocciare e questo è legato ai valori delle forze e ai valori delle masse nell’Universo. Quindi, io credo che con “particella di Dio” si voglia riferirsi al fatto che il bosone di Higgs ha compiuto il piccolo miracolo nel dare una massa con un valore ben preciso (che è quello che conosciamo e che è legato alla vita) a delle particelle che prima ne erano prive. Questo atto può venir legato alla Creazione, a Dio e alla vita. A me pare che ci siano tanti altri aspetti della cosmologia che riflettono l’azione di un Artefice.

Perché siamo fatti di materia e non di antimateria

Nei primissimi istanti dell’evoluzione cosmologica, vi era una continua presenza di materia e antimateria e una conversione della materia più antimateria in radiazione. Quindi, l’Universo da questo punto di vista era molto simmetrico, cioè c’era sia la materia ordinaria, di cui siamo fatti anche noi, che l’antimateria. Andando ad istanti estremamente lontani da noi ma vicinissimi al Big Bang, a circa 10^-35 secondi, avviene che le tre forze forte, debole ed elettromagnetica sono unificate e sono mediate dal bosone di Higgs. Sacharov nel 1967 scoprì che i bosoni, come fanno tutte le particelle estremamente pesanti, decadono in quark e antiquark. Con l’espansione dell’Universo,              avviene una piccola differenza fra i quark e gli antiquark in cui decadono i bosoni di Higgs. Per fissare le idee, possiamo dire, che in un certo istante vi sono un miliardo (10^9) di antiquark e un miliardo più uno di quark. In quanto particella e sua antiparticella, ci si aspetterebbe che quark e antiquark si annichilino fra loro, dando luogo ad un “gamma”, ossia ad una particella di radiazione. Sennonché, l’Universo a  circa 10^-35 secondi dopo il Big Bang è così denso che i quark hanno una proprietà un po’ particolare: quando sono molto vicini non “si sentono”. Perché questi riescano “a sentire” la loro azione reciproca, bisogna andare ad un’epoca posteriore rispetto al Big Bang, a circa 10^-5 secondi, quando l’Universo grazie all’espansione, è più rarefatto e quindi quark e antiquark sono più lontani. Tre quark iniziano a costituire un nucleone mentre tre antiquark un antinucleone. Data la loro lontananza e quindi grazie alla loro azione reciproca, avviene una grande annichilazione che fa sì che su  10^9 particelle ne  rimanga una sola, per via di quel piccolo eccesso di materia ordinaria sull’antimateria.

L’Universo è fatto meravigliosamente bene: c’è una sorta di calibratura estremamente fine dell’Universo. Devono, infatti, concorrere tutta una serie di fattori perché esso sia fatto di materia ordinaria e perché, ad un’epoca più tarda, la vita, fatta a sua volta di materia ordinaria, possa comparire. Il fattore stesso di espansione dell’Universo viene a decidere dello squilibrio tra materia e antimateria e, successivamente, dell’annichilazione tra quark e antiquark. Il fatto che noi siamo fatti di materia piuttosto che di antimateria è legata quindi, a questa annichilazione; d’altra parte essa produce una quantità enorme di radiazione, quindi di fotoni, che sono fondamentali per l’esistenza della vita. I fotoni, infatti, costituisco una specie di “bacino termostatico” di enorme capacità termica che permette di verificare il secondo principio della termodinamica, secondo il quale durante la sua evoluzione l’Universo aumenta l’entropia, ma nello stesso tempo permette che localmente vi sia una diminuzione di entropia (che sembrerebbe un paradosso), quindi una strutturazione dell’Universo locale e, di conseguenza, un grado di informazione estremamente elevato di cui la vita stessa ha bisogno per nascere.

Ringraziamo il Prof. Luigi Secco per il suo prezioso contributo.
Sabrina e Luca

Informazioni su Sabrina Masiero

Ricercatore Astronomo (Tecnologo III livello) presso INAF-Osservatorio Astronomico di Palermo-Gal Hassin, Centro Internazionale delle Scienze Astronomiche di Isnello, Palermo. In precedenza: Borsista presso INAF-Osservatorio Astronomico di Padova e Fundaciòn Galileo Galilei, FGG-Telescopio Nazionale Galileo, La Palma, Isole Canarie.
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4 risposte a Il meraviglioso della materia e della vita

  1. Sabrina dice:

    Da parte di Gabriele e Cecilia i complimenti per la chiara e semplice esposizione del Prof. Secco a Tutti Dentro.
    Un caro saluto e ringraziamento anche da parte mia.
    Sabrina

  2. flavio dice:

    Un ringraziamento da parte mia al Prof. Secco per l'esposizione molto chiara sul bosone di Higgs. Sono convinto che se il prossimo esperimento, che verra' condotto al Cern di Ginevra, avrà successo, aprira' le strade per una nuova fisica con scoperte e sviluppi senza precedenti nella storia della scienza. Complimenti per il programma e per il blog; un ringraziamento a Sabrina e Luca.
    Flavio

  3. GIANLUIGI DANZA dice:

    CIAO A TE SABRINA, CON UN ABBRACCIO ED UN AFFETTUOSO SALUTO, CIAO. EVVIVA IDDIO, GESU' ED IL TELETRASPORTO.CIAO DA GIANLUIGIDANZA.

  4. GIANLUIGIDANZA dice:

    CIAO SABRINA, VI VOGLIO MOLTO BENE. CIAO.