BICEP2, il campo di Higgs e il destino dell’universo
L'universo ha avuto inizio con il big bang. Qualunque mistero si celi dietro questa affermazione sembra ormai assodato che l'inizio di tutto - tempo incluso - dipenda da un evento iniziale, l'implosione di una gigantesca massa di materia incandescente racchiusa in uno spazio infinitesimo
L’universo ha avuto inizio con il big bang. Qualunque mistero si celi dietro questa affermazione sembra ormai assodato che l’inizio di tutto – tempo incluso – dipenda da un evento iniziale, l’implosione di una gigantesca massa di materia incandescente racchiusa in uno spazio infinitesimo.
In realtà la faccenda è tutt’altro che semplice, soprattutto alla luce dei recenti progressi concernenti il bosone di Higgs e le onde gravitazionale primordiali catturate da BICEP2 a marzo scorso.
In questa immagine, la camera a campo ultra profondo di Hubble mostra galassie di un’epoca antica, nella quale l’universo era più giovane, più denso e più caldo in base alla teoria del Big Bang. (Ctìredit: NASA and the European Space Agency).
Non solo perché non esiste un solo modello cosmologico che pretende di spiegare l’origine e il destino dell’universo, ma perché proprio qualche giorno fa è stata resa nota la versione definitiva dell’articolo con i risultati di BICEP2, sulla rivista Physical Review Letters. Andiamo con ordine.
Sulle primissime fasi del big bang non abbiamo le idee chiarissime. I modelli maggiormente accreditati raccontano questa storia: all’inizio il cosmo era isotropo e omogeneo, con temperatura, pressione e densità energetica elevate. Possiamo dire che si stava espandendo e raffreddando molto velocemente. Verso i 10−37 secondi dopo il big bang, qui inteso come istante iniziale del tutto, una transizione di fase causò l’nflazione: l’universo aumentò le sue dimensioni esponenzialmente. Quando questo processo si arrestò, l’universo non aveva l’aspetto a cui siamo abituati oggi. Era un plasma incandescente di quark e gluoni. Ma questa condizione non durò per “molto”.
Ad un istante non meglio precisato, la bariogenesi violò il principio di conservazione del numero barionico determinando uno squilibrio tra quark/leptoni sugli antiquark/antileptoni (nell’ordine di 1 su 30 milioni). Non solo la materia vinse sull’antimateria, ma l’universo pur continuando ad espandersi cominciò a raffreddarsi finché le quattro interazioni fondamentali e i parametri delle particelle elementari non raggiunsero i loro valori attuali. Da questo momento in poi – siamo a dopo 10−11 secondi dal big bang – il quadro diventa meno speculativo, visto che i moderni accelaratori di particelle riescono a raggiungere quelle temperature e a mostrarci com’era l’universo a quei tempi.
Le tappe successive sono più lineari: arrivati a 10−6 secondi, quark e gluoni si combinarono per formare protoni e neutroni, e quando la temperatura giunse a 109 kelvin (ovvero un miliardo di kelvin), ad una densità paragonabile a quella dell’aria, i neutroni si combinarono con i protoni innescando la nucleosintesi, ossia la formazione dei primi nuclei di deuterio ed elio.
BICEP2 all’alba (Credit: Steffen Richter, Harvard University).
L’evoluzione cosmica successiva all’epoca inflazionaria può essere descritta rigorosamente dal modello Lambda-CDM, ma non esiste ancora un modello che descriva i fenomeni precedenti a 10−15 secondi. Come direbbe Paul Davies, è più semplice congettuare gli ultimi tre minuti che conoscere i primi tre minuti di vita dell’universo! Ma torniamo a noi. Bene, il big bang è ancora ricco di misteri, ma non è finita qui.
Il campo di Higgs e i risultati di BICEP2. Rispetto all’annuncio iniziale, la pubblicazione scientifica contiene alcune variazioni che sembrano significative: da un lato nell’articolo pubblicato si ammette che l’analisi originale aveva sottostimato la contaminazione della polvere galattica, dall’altro l’ampiezza del segnale delle onde gravitazionali primordiali, che nell’articolo originale veniva dato diverso da zero e con alta significatività anche quando si teneva conto della possibile contaminazione da polvere, ora si dice “influenzabile” dalla polvere stessa, al punto che la polvere sposterebbe questo valore in basso di una quantità che sarà meglio vincolata da dati futuri.
Cosa significa tutto questo? Che è stato escluso dall’analisi il modello di polvere che aveva sollevato maggiori dubbi, ovvero quello basato su dati preliminari di Planck e dedotto da una slide mostrata in una conferenza. Resta da capire se il segnale sia davvero un segnale primordiale, pur essendo indubbiamente significativo.
Credit: Robert Hogan, Kings College London.
Combinando tutto questo con le ultime evidenze sperimentali sul campo di Higgs, Robert Hogan, del King College di Londra, il 24 giugno durante una conferenza tenutasi alla Royal Astronomical Society di Portsmouth ha presentato una interessante relazione in cui sostiene che l’universo non avrebbe dovuto durare per più di un secondo. Come mostra lo schema sopra riportato, il nostro universo si trova in una “valle” il cui comportamento è vincolato al campo di Higgs. Secondo la sua interpretazione dei dati raccolti da BICEP2, durante il primo periodo di inflazione cosmica l’universo avrebbe ricevuto un calcio nell’altra “valle”, e avrebbe dovuto collassare in meno di un secondo.
Ma un big crunch non c’è stato, evidentemente. Quindi? Secondo Hogan i risultati BICEP2 contengono ancora errori. Se così non fosse, ci deve essere qualche altro processo, per ora ignoto, che ha impedito all’universo di collassare. La ricerca di Hogan sarà pubblicata nel volume Fairbairn & Hogan, 2014, Physical Review Letters 112, p201801. Per ora è disponibile una versione preliminare su arXiv.org. Personalmente non credo che questa ipotesi regga, ma sono curiosa di leggere l’articolo definitivo che, sicuramente, conterrà delle rettifiche. La sensazione che i risultati di BICEP2 siano meno univoci e determinanti rispetto al clamore mediatico che li ha circondati comunque resta (il bosone è tutt’altra storia, insomma).
