L’elettrone sferico che confuta la Supersimmetria e fa sperare nell’antimateria.

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Pur essendo la prima particella elementare scoperta (nel XIX secolo), l’elettrone ha ancora molti segreti. Sappiamo infatti che è fra le particelle elementari più leggere che si conoscano e che la sua carica elettrica è un’unità indivisibile. Tutte le particelle elementari isolate finora hanno infatti carica elettrica multipla di quella dell’elettrone. Ma le sorprese non finiscono qui: perché pur non avendo una struttura, l’elettrone può orientarsi nello spazio, essendo dotato di un momento magnetico intrinseco detto spin. In pratica, l’elettrone è come una minuscola calamita che si orienta in presenza di un campo magnetico, in modo analogo all’ago di una bussola. Per studiare la forma dell’elettrone, i ricercatori hanno tentato di scoprire l’esistenza dell’analogo elettrico dello spin, detto momento di dipolo elettrico. Ogni asimmetria nella forma dell’elettrone o, più precisamente, delle sue interazioni con i campi elettrici esterni, si manifesta con la presenza di un momento di dipolo elettrico. In pratica il momento di dipolo è il termine tecnico che usano i fisici per descrivere se la sua forma è simmetrica o no. Per cercare questa asimmetria, gli scienziati fanno ruotare gli elettroni attorno al proprio asse in modo da testare se hanno una forma sferica o invece oblunga. Mentre una palla da biliardo ruoterebbe senza difficoltà, un uovo oscillerebbe. Lo stesso vale per un elettrone dotato di un momento di dipolo elettrico. I ricercatori di ACME Collaboration, un gruppo guidato da David De Mille della Yale University, e da John Doyle e Gerald Gabrielse della Harvard University, hanno osservato che la particella ha una forma più sferica rispetto a quella prevista dalla Supersimmetria. Così, per stavolta vince il Modello Standard. Il modello standard della fisica delle particelle, che descrive tutte le particelle conosciute nell’universo, prevede per l’elettrone un momento di dipolo elettrico praticamente nullo. Invece, le teorie che contemplano l’esistenza di ulteriori particelle (finora mai rivelate), prevedono un momento di dipolo diverso da zero, che i fisici cercano da 50 anni.

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Il team dell’ACME, ha eseguito un test dieci volte più sensibile degli esperimenti precedenti, senza trovare tracce di un momento di dipolo elettrico degli elettroni all’interno di molecole di monossido di torio, una molecola fortemente polare, cioè con cariche elettriche ben separate. I risultati dell’esperimento indicano che l’eventuale deviazione è inferiore a 0,000000000000000000000000001 centimetri, ossia tale per cui se l’elettrone avesse le dimensioni dell’intero sistema solare, la differenza dalla sfera perfetta non supererebbe lo spessore di un capello. Possiamo quindi affermare che l’elettrone è puntiforme e sferico entro la precisione sperimentale oggi raggiungibile. La conclusione è che il nuovo risultato assesta un colpo decisivo a molte nuove teorie fisiche, in particolare alla Supersimmetria (SUSY), secondo cui ogni particella nota nell’universo ha una particella gemella supersimmetrica, un “superpartner” le cui caratteristiche rispettano alcune simmetrie, che ancora deve essere scoperta. Spiega Ed Hinds, ricercatore dell’Imperial College di Londra: “La supersimmetria è così elegante e così naturale nella percezione di molte persone che si tende a credere anche che sia anche corretta. Ma se esistono, tutte queste particelle gemelle dovrebbero produrre “fantasmi virtuali” nelle nubi presenti intorno agli elettroni, dando luogo a un momento di dipolo elettrico misurabile. Per questo l’impossibilità di evidenziarlo mette la supersimmetria alle corde.” Conferma il tutto il fisico Jony Hudson dell’Imperial College di Londra “Per la supersimmetria si sta avvicinando il momento della verità. Anche se grazie all’ultima misurazione è possibile escludere la correttezza di alcune versioni basilari della teoria, modelli più complessi prevedono un piccolo momento di dipolo elettrico che potrebbe essere nascosto in un dominio fisico che deve ancora essere esplorato”. Afferma ancora Eugene Commins, professore emerito di fisica presso l’Università della California a Berkeley: “Si può andare avanti all’infinito a elaborare versioni sempre diverse della supersimmetria.

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Un buon fisico teorico può inventare un modello in mezz’ora; poi per confutarlo ci vogliono 20 anni di sforzi dei fisici sperimentali”. La ricerca di particelle supersimmetriche è uno degli obiettivi principali anche del Large Hadron Collider (LHC), il più grande acceleratore di particelle del mondo, che fa collidere tra loro protoni a velocità prossime a quella della luce in un tunnel sotterraneo. L’acceleratore è abbastanza potente da arrivare a energie dell’ordine del teraelettronvolt (TeV), proprio l’intervallo previsto per le particelle supersimmetriche. Finora, non sono stati trovati segnali di nuove particelle, a esclusione dell’ultimo tassello mancante del modello standard, il bosone di Higgs. “Se l’intervallo di energie che viene studiato con LHC

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è regolato da una nuova fisica, ci si aspetterebbe un momento di dipolo notevolmente più grande del limite che ora abbiamo”, dice Hinds. “Ora che è stato ottenuto questo nuovo risultato, è altamente improbabile che possa emergere qualcosa nel dominio del TeV”. Se i ricercatori avessero scoperto la non sfericità degli elettroni, ciò avrebbe fornito la prova che il comportamento dell’antimateria e quello della materia differiscono più di quanto i fisici pensavano. Questa avrebbe anche spiegato come è scomparsa tutta l’antimateria dall’universo, lasciando solo materia normale. Hinds ha commentato le implicazioni del suo lavoro: “Tutto il mondo è fatto quasi completamente da materia normale, con solo minuscole tracce di antimateria. Gli astronomi hanno guardato proprio al limite dell’universo visibile e anche allora hanno visto solo materia, nessuna grande scorta segreta di antimateria. I fisici semplicemente non sanno cosa sia successo a tutta l’antimateria, ma questa ricerca ci può aiutare a confermare o a scartare alcune delle spiegazioni possibili.” Questo studio fa compiere dei progressi a uno dei più grandi misteri ancora esistenti in fisica: andare al fondo di come e perché esiste una predominanza di materia rispetto all’antimateria. La scuola di pensiero attualmente accettata tra i fisici è quella secondo la quale durante il Big Bang fu creata la stessa quantità di antimateria e di comune materia. Ma comprendere dove, e a dire la verità se, esistono dei depositi di antimateria finora non ancora scoperti rappresenta il principale obiettivo della ricerca in questo settore. Gli scienziati con questi studi stanno tentando di spiegare questa mancanza di antimateria cercando delle minuscole differenze tra il comportamento della materia e quello dell’antimateria che nessuno ha ancora osservato. L’antimateria è un divoratore di materia. Non si riproduce, non si lega, semplicemente annichilisce all’istante appena incontra, distruggendola, ogni particella di carica opposta sviluppando raggi gamma. Si tratta di una sostanza che di fatto ha le stesse caratteristiche della materia se non con carica opposta. Per essere precisi il moto dell’elettrone e del positrone (l’elettrone dell’antimateria con carica positiva) hanno direzioni inverse anche se speculari. I primi studi sono merito dell’originale e un po’ eretico fisico Paul Dirac che già nel 1930 predisse l’esistenza del positrone aprendo la ricerca sull’antimateria che venne empiricamente osservata nel 1932 da Carl Anderson (Premio Nobel per la fisica nel 1936 all’età trentuno anni) tramite studi sui raggi cosmici.

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L’antimateria ha il potenziale energetico più efficiente ed esplosivo mai conosciuto, con un rendimento al 100% che fa impallidire quello delle bombe atomiche. Non a caso il sogno di tutti i ricercatori mondiali, specie militari, è quello di arrivare a creare armi e motori con l’antimateria come propulsore per un livello energetico tanto micidiale quanto pericoloso. Voci parlano con insistenza di ricerche ed esperimenti ultrariservati. E’ rimasta nell’immaginario collettivo la mitica astronave Enterprise di “Star Trek” che viaggia tra gli universi con un motore ad antimateria. L’ultimo affascinate riscontro su questa tema è della Nasa che, grazie al satellite “Fermi Space Telescope“, ha scoperto fasci di antimateria negli strati superiori della nostra atmosfera. Per questi scienziati i forti temporali, associati ai fulmini, possono dare origine a raggi gamma. La sorprendente scoperta è stata fatta da un satellite nel 2009 sorvolando lo Zambia. I raggi gamma, solitamente sono originati da esplosioni di supernove, emissioni di buchi neri e da reazioni stellari, sono anche un indicatore dell’annichilimento causato da particelle di antimateria che incontrano atomi di materia. Anche negli spazi interstellari le emissioni di antimateria sopravvivono solitamente per pochi millesimi di secondo in quanto vengono subito annichilite dall’incontro con atomi di materia che sussistono anche in quello che sembrerebbe il vuoto. Tornando al caso terrestre, forti temporali con fulmini ad alta quota possono spingere gli elettroni a fortissime accelerazioni che, incontrando le molecole d’acqua, possono sviluppare raggi gamma. Il raggio gamma, quando incontra il nucleo di un atomo, può dare origine ad una coppia di elettrone – positrone (antimateria). Quindi anche i temporali possono generare sulla terra lampi di antimateria che quasi sempre si annichiliscono in meno di una infinitesimale frazione di secondo. La scoperta del satellite per un attimo ha dato la sensazione di trovarsi davanti ad un pianeta azzurro di antimateria Un ultima curiosità: nel 1908 una terribile esplosione colpì Tunguska nella Siberia centrale distruggendo 60 milioni di alberi e illuminando per giorni mezza Europa. Gli effetti sul terreno erano gli stessi di quelli di un disastro atomico ma l’elemento strano è che non esiste un cratere o un punto d’impatto. La tesi del meteorite, di una cometa o di un ufo è stata ultimamente affiancata al possibile impatto di un frammento di antimateria dall’enorme potenziale distruttivo. Tale tesi non è di un visionario ma di alcuni importanti scienziati che come fanno i scienziati seri portano dubbi e criticità senza dogmi prima che la scienza verifichi empiricamente.

Alfonso Morelli – Team Mistery Hunters

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