La nascita dell’universo

Come è nato l’universo?

La fisica delle particelle è in un periodo di crisi? Keith Baker, fisico del Thomas Jefferson National Accelerator Facility, lo vede come un periodo di opportunità per descrivere nuovi fenomeni.
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Secondo le moderne teorie dell’evoluzione cosmica, l’universo è iniziato con un’esplosione singolare, seguita da una raffica di espansione inflazionistica. Per comprendere l’inflazione sono necessarie delle scoperte nella nostra comprensione della fisica fondamentale, della gravità quantistica e della teoria unificata definitiva. Sebbene le condizioni inflazionistiche abbiano un’energia troppo elevata per essere riprodotte sulla Terra, possiamo osservare le loro firme, trasmesse nel corso degli anni dalla loro impronta sulla materia relitta che possiamo ancora rilevare di quell’epoca.
Dopo l’inflazione, le condizioni dell’universo primordiale erano ancora così estreme da poter combinare particelle elementari in nuove fasi di materia. Mentre l’universo si espandeva e si raffreddava, avvenivano transizioni in cui la materia passava da una fase all’altra, come il vapore che si condensa in acqua. Alcune di queste transizioni di fase potrebbero essere state gli eventi più drammatici della storia cosmica, plasmando l’evoluzione dell’universo e lasciando reliquie osservabili oggi. Le transizioni di fase cosmiche potrebbero essere ricreate in esperimenti con acceleratori ad alta energia.

Strumenti per una rivoluzione scientifica

Secondo le attuali teorie dell’evoluzione cosmica, l’universo inizia con una “singolarità iniziale”, un punto in cui tutte le leggi fisiche conosciute vengono meno. Questa singolarità ha prodotto un universo delicatamente bilanciato, come una matita così precisamente bilanciata sulla sua punta che rimane in piedi per 14 miliardi di anni. Come ha fatto l’universo a raggiungere un tale stato? Come è arrivato ad essere così vecchio? Perché non è esploso ancora di più o non è collassato su se stesso?

Negli ultimi due decenni, la teoria dell’inflazione cosmica ha offerto una spiegazione convincente dell’inizio del big bang. Secondo questa teoria, una prima fase di espansione accelerata ha dato origine all’universo equilibrato che vediamo oggi. L’inflazione cosmica è la mano che ha bilanciato la matita sulla sua punta. Come sottoprodotto, ha anche prodotto i semi che si sono evoluti in stelle, galassie, ammassi di galassie e altre strutture nell’universo.

L’inflazione cosmica presenta sfide legate alle domande fondamentali di questo rapporto. Una possibilità è che l’inflazione cosmica abbia avuto origine con una forma di energia oscura, simile all’energia oscura osservata oggi. Se è così, che tipo di materia l’ha prodotta? Questa forma di materia ha un ruolo nell’unificazione? Come si relaziona con le dimensioni extra? Ancora più radicale è la possibilità che lo spazio e il tempo abbiano cambiato la loro natura all’inizio del big bang. La teoria delle stringhe appiana la singolarità iniziale? Quale modello ha davvero scelto la natura?

Al momento, le misurazioni delle fluttuazioni nel fondo cosmico a microonde (CMB), specialmente dal WMAP, forniscono la migliore prova a favore dell’inflazione. I vincoli sui parametri cosmici, come la curvatura dell’universo, e la natura della struttura cosmica, sono in ampio accordo con le previsioni della teoria inflazionistica. Alla fine, le misure della polarizzazione della CMB potrebbero permettere di rilevare le firme delle onde gravitazionali prodotte durante l’epoca dell’inflazione, che potrebbero fornire informazioni sulla natura del campo scalare che ha prodotto l’inflazione.

Dopo il big bang, l’universo si è espanso e raffreddato per raggiungere il suo stato attuale. Lungo il percorso, l’universo è passato attraverso una serie di transizioni di fase in cui varie particelle si sono congelate, come l’acqua si trasforma in ghiaccio quando si raffredda. Queste transizioni di fase hanno guidato alcune delle epoche più importanti della storia cosmica. Per esempio, una transizione di fase potrebbe essere ciò che ha guidato l’inflazione cosmica. Le transizioni di fase potrebbero produrre “difetti cosmici”, come le stringhe e la trama e altre forme esotiche di materia, che potrebbero spiegare i raggi cosmici ad altissima energia, la materia oscura e forse anche l’energia oscura.

Gli esperimenti a LHC continueranno a illuminare la transizione di fase elettrodebole, dove la maggior parte delle particelle conosciute hanno acquisito la loro massa. Una migliore comprensione di questa transizione di fase permetterà agli scienziati di avvicinarsi al big bang stesso. Infatti, è probabile che la transizione di fase elettrodebole sia la fonte ultima dell’asimmetria materia-antimateria che vediamo oggi nell’universo. Le scoperte di nuove particelle e nuove interazioni illumineranno questa storia e determineranno se è corretta. Inoltre, il racconto dell’evoluzione cosmica deve incorporare qualsiasi scoperta di nuove simmetrie o nuove dimensioni.

Attualmente, la transizione di fase cosmica più intensamente studiata è collegata alla cromodinamica quantistica (QCD), la teoria della forza nucleare. Durante la transizione di fase QCD, la materia barionica nell’universo attuale si è condensata da uno stato simile al plasma di quark e gluoni. L’impianto Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) al BNL sta attualmente creando collisioni di ioni pesanti per studiare il plasma di quark-gluoni; l’esperimento ALICE all’LHC studia il plasma di quark-gluoni a energie e temperature più alte. Le Lattice Computational Facilities permetteranno di effettuare calcoli che favoriranno la comprensione dei dati RHIC e delle condizioni durante questa epoca dell’evoluzione dell’universo primordiale.