Bosone di Higgs come ‘portale’ per accedere ad un nuovo tipo di fisica?

fulvio gagliardi scrive:

LA SPIEGAZIONE DI MATERIA E ENERGIA OSCURE, SECONDO ME, SONO LE SEGUENTI:

VII Materia oscura
Ma la materia del cosmo è tutta quella che vediamo o ne esiste altra?
Già negli anni 30 studiando il moto di ammassi lontani di galassie di grande massa l’astronomo Zwicky stimò la massa totale dell’ammasso basandosi sulla luce emessa. Egli valutò quindi la materia visibile.
Fece poi un’altra valutazione misurando la dispersione delle velocità individuali delle galassie nell’ammasso, valutando la dinamica delle galassie ed estrapolando le masse e ottenendo così una stima di massa 400 volte più grande.
Perchè questa massa totale era molto maggiore di quella visibile?
Negli anni 70 si cominciò ad ipotizzare l’esistenza di una sorta di materia oscura, che non emetteva luce e quindi invisibile. Nel 2008 da migliaia di osservazioni col telescopio Cfht delle Hawaii si osservò che la luce veniva deviata (effetto della gravità sulla luce) in zone dove non erano visibili masse gravitazionali. Questo avvalorò ancora di più l’ipotesi della materia oscura, che dovrebbe costituire il 23% dell’energia dell’universo e l’85% della sua massa, o, secondo le più recenti evidenze circa il 60% della massa dell’universo.
-Rotazione delle galassie spirali.
Un’altra presunta evidenza a favore dell’esistenza della materia oscura sarebbe fornita dalle curve di rotazione delle galassie spirali.
Nella foto di seguito si vede una classica galassia di questo tipo.

Secondo la Legge di Keplero le stelle con orbite galattiche più esterne dovrebbero avere velocità orbitali inferiori. Le osservazioni astronomiche invece rivelano che per le stelle molto vicine al centro galattico si ha un rapido incremento della velocità orbitale, la quale per tutte le altre distanze orbitali si mantiene costante invece di decrescere.

Qualcuno ipotizza che le stelle dei bracci esterni di queste galassie, avendo una velocità maggiore di quella che dovrebbero avere secondo Keplero, dovrebbero disperdersi nello spazio sfuggendo alla gravità del nucleo galattico..La materia oscura, secondo alcuni, sistemerebbe le cose, impedendo a queste stelle di disperdersi….
Ma come è possibile fare queste ipotesi senza conoscere con certezza la gravitazione del nucleo, dove per di più c’è un buco nero massiccio?
Secondo queste ipotesi, tra l’altro, le zone intorno al Sole dovrebbero essere stracolme di materia oscura con moltissimi miliardi di particelle nei nostri corpi. Però un accurato recente studio del moto delle stelle della nostra galassia non ha mostrato esistenza di materia oscura nel nostro sistema solare contraddicendo tutti i modelli previsti.
L’autore dello studio, Christian Moni Bidin, dalle mappe dei movimenti di 400 stelle giganti rosse in una zona di spazio tempo estesa fino a 13.000 anni luce dal Sole non ha trovato praticamente evidenza di materia oscura, essendo la quantità di massa così calcolata praticamente coincidente con la massa della materia visibile.
Anche tutti i tentativi di rilevare materia oscura da esperimenti condotti nei laboratori sono falliti.
Indagini astronomiche sono ancora in corso e altre sono previste nel prossimo futuro per far luce sull’argomento, come ad esempio la missione Gaia dell’ESA che si prefigge di rilevare il moto di milioni di stelle.
Ma di recente è stata rilevata l’influenza della materia oscura sulla luce delle galassie sfruttando le lenti gravitazionali, cosa che ne dimostrerebbe l’esistenza.
Io ritengo che possa esistere una spiegazione che integri l’ipotesi dell’influenza della materia oscura sulla velocità angolare dei bracci delle galassie:
il nucleo galattico lancia verso la periferia delle onde d’urto di pressione che colpiscono i bracci della spirale mantenendone più o meno inalterata la forma ed evitando che si avvolgano attorno al nucleo. Questo costringerebbe le stelle nei bracci esterni ad avere una maggior velocità orbitale, stelle sempre mantenute nell’orbita dalla maggiore gravità del nucleo per la presenza di materia oscura. La presenza di queste onde d’urto di pressione è avvalorata dall’osservazione che la polvere intergalattica in periferia ha una velocità orbitale di segno opposto a quella delle stelle di quelle regioni. E’ plausibile infatti che dopo aver esercitato una spinta sui bracci della spirale la polvere intergalattica venga deviata nella direzione opposta.
-Ma cosa può essere questa materia oscura?
Ritengo che essa non sia qualcosa di esotico, ma più semplicemente costituita sia da grossi agglomerati di materia esistenti nel cosmo del tipo buchi neri, sia da un insieme di particelle di dimensioni infinitesime, ma di enorme densità (massa di Plank) costituenti i cosiddetti buchi neri di Plank”.
Al momento della nascita dell’universo dal Big Bang, nei primissimi istanti, a 10-45 sec si creano le prime disomogeneità a causa delle reciproche interferenze. Tra 10-34 e 10-32 sec diverse regioni di quel universo primordiale subiscono un processo di inflazione istantaneo (fase di espansione rapida e accelerata) crescendo da valori di diametro di 10-40 cm (inferiore a un protone) a circa 10 cm.
Intanto ogni 10-34 sec l’universo raddoppia le sue dimensioni.
Dopo circa 10-32 sec il processo inflazionario si placa, mentre continua l’espansione dell’universo.
Nelle primissime fasi iniziali la materia dell’universo si trova in condizioni di “equilibrio chimico”, ossia il ritmo delle reazioni tra le particelle rimane al passo con l’espansione. Nel corso del processo inflazionario il ritmo delle reazioni tra la maggior parte delle particelle riesce con sempre maggior difficoltà a seguire l’espansione e l’allontanamento esponenziale di una rispetto all’altra, le particelle non sono più in equilibrio chimico tra loro e la loro densità rimane “congelata”.
Inoltre particelle “troppo pesanti” hanno una “sezione d’urto di annichilazione” troppo piccola (proporzionale a m-2) tanto da non riuscire ad annichilirsi a sufficienza e da risultare oggi più abbondanti rispetto alla materia ordinaria. Per inciso tra questi potrebbero trovarsi le particelle cosiddette “supersimmetriche”.
Questa materia oscura non emette luce e assorbe quella incidente, né più né meno che un buco nero, risultando invisibile.
Ricordando infatti che in meccanica quantistica la “lunghezza di Plank” (che è l’unità naturale di lunghezza collegata alla costante di Plank “h/2π”) è uguale a
Lp=√(HG/c3) =1,616252×10-35m.
E che la massa di Plank è
mp=√(hc/G) =2,17644×10-8 kg
e che il tempo di Plank è
tp=√(hG/c5) =5,39124×10-44sec
si vede come l’unità di lunghezza è di 21 ordini di grandezza inferiore al diametro di un nucleo atomico mentre in questa dimensione vi è una massa di 19 ordini di grandezza maggiore.
La Lunghezza d’onda Compton di una particella è la lunghezza d’onda di un fotone di energia pari a quella della sua massa a riposo: hf=mc2. Da questo la lunghezza d’onda Compton è pari a λ=c/f =h/mc.
Quale è il limite superiore di λ? Il limite superiore di λ, o (il che è la stessa cosa) il limite superiore dell’energia di un fotone lo si può determinare ricavando il limite superiore della massa di una particella allorquando questa raggiunge le dimensioni di un buco nero di Plank, buco nel quale il fotone rimane intrappolato dal campo gravitazionale.
Si ricorda che il raggio di Schwartzschild di un buco nero è dato da R=2GM/c2
Ponendo R=λ si ottiene che
λ=2Gm/c2
m=h/2λc
λ=√(Gh/2c3)
formula che, a meno del fattore 2 sotto radice, coincide con la lunghezza di Plank.
La lunghezza di Plank è quindi il raggio del orizzonte degli eventi di un buco nero di Plank.
Un fotone la cui lunghezza d’onda è pari alla lunghezza d’onda di Plank è una particella tanto massiccia da essere un buco nero e distorce lo spazio tempo locale inghiottendo il fotone. Non vi sarà alcuna emissione di luce.
Questo è il limite inferiore per le lunghezze.
Dalle formule precedenti si ricava il tempo di Plank:
Tp=lp/c2 tempo impiegato dalla luce per percorrere una lunghezza di Plank. Tempi inferiori non hanno alcun significato fisico. Anche il tempo scorre in quanti di tempo e non in modo continuo come sembrerebbe.
A distanze dell’ordine di grandezza di quelle di Plank sia la gravità che il tempo manifestano il loro comportamento quantistico.
Non potremmo mai sperimentare il comportamento delle particelle a queste scale infinitesime perché l’energia in gioco sarebbe immensa:
Ep=mpc2 =2,17644×10-8x9x1016 kg m2sec2 =1,22×1019 Gev
energia alla quale la gravità si associa alle altre tre forze della natura, energia che richiederebbe un acceleratore di particelle delle dimensioni della Via Lattea.
Una ulteriore recente dimostrazione dell’esistenza della materia oscura si ottiene dai recenti risultati dello spettrometro magnetico AMS della stazione spaziale internazionale (è un potentissimo magnete permanente che, al passaggio dei raggi cosmici, separa gli elettroni dai positroni). Questo spettrometro ha rilevato l’emissione di una notevolissima quantità di positroni e, poiché la probabilità che si formino più positroni che elettroni è tanto maggiore quanto maggiore è l’energia in gioco, si ritiene che questi raggi cosmici si siano generati da urti di particelle massicce di materia oscura.

VIII Energia oscura
Per quanto invece riguarda l’energia oscura, un elemento addotto a favore della sua esistenza è la constatazione inaspettata della espansione accelerata dell’universo, resa nota nel 1996 e verificata nel 1998 dall’osservazione di supernove in galassie lontane.
Queste supernove (tipo 1a) avendo luminosità e spettro ben definite permettono una precisa misura della loro distanza mediante la misura del loro spostamento verso il rosso.
Lo spostamento verso il rosso è dovuto all’effetto doppler: ad es. il rumore di un treno in allontanamento ha frequenza più bassa, mentre se il treno è in avvicinamento la frequenza del rumore è più alta.
Nello spettro della radiazione luminosa l’infrarosso corrisponde alle frequenze più basse mentre alle frequenze alte troviamo il blu.e l’ultravioletto….
“Ma dovreste saperlo e vi chiedo scusa della pedanteria”.
Dallo spostamento verso il rosso è stato possibile misurare la velocità di espansione a diverse distanze spazio temporali e si è notata un’espansione accelerata dell’universo.
La velocità con cui le galassie si allontanano l’una dall’altra aumenta con il tempo accentuando ancor di più lo spostamento verso il rosso delle loro righe spettrali. Questo spostamento verso il rosso, aumentando ancora, renderà queste galassie sempre meno visibili fino a farle sparire letteralmente dalla vista. Lo sfondo dell’universo diventerà nero, non permettendo di vedere più nulla in queste zone.
Per spiegare questo comportamento si è pensato
di ricorrere all’esistenza di una misteriosa energia oscura con la strana proprietà di sospingere sempre più lontano le galassie.
Il 3 aprile del 2012 al meeeting della Royal Astronomical Society è stata mostrata una foto di quando l’universo iniziò ad accelerare la sua espansione.. Analizzando lo spettro di 250.000 galassie, alcune lontane miliardi di anni luce e quindi miliardi di anni nel passato, si è visto che l’universo iniziò ad accelerare la sua espansione circa sei milardi e mezzo di anni fa.
Prima di quell’epoca l’universo si espandeva, ma la sua velocità di espansione, massima poche frazioni di secondo dopo il Big Bang, era in continua diminuzione come si confà al gas di una normale esplosione e secondo la logica corrente.
Invece ad un certo punto le cose si invertono e l’espansione comincia ad accelerare! Perchè?
E’ mai possibile che l’energia oscura sia improvvisamente comparsa e abbia deciso di darsi da fare?
A dir poco, sembra strano e inspiegabile.
Esistono più di una teoria che cerca di spiegare l’espansione dell’universo.
Einstein nella sua relatività generale, che tiene conto della forza gravitazionale, considera questa dovuta ad una curvatura dello spazio generata dalla presenza di masse.
L’equazione di campo di Einstein, nella sua forma più semplice, si può scrivere:
Gµν=8πGTµν/c4
Con G tensore della curvatura dello spazio, G costante di gravitazione universale e T tensore stress energia.
Per poter eliminare la tendenza dello spazio a contrarsi (infatti il tensore di curvatura aumentava con T) Einstein inserì un altro termine nella equazione:
Лgµν
Con g metrica dello spazio tempo.
Gµν+ Лgµν =8πGTµν/c4
Gµν può sciversi
Gµν =Rµν-gµνR/2
Rµν è il tensore di curvatura di Ricci
R è la curvatura scalare (la traccia di Rµν)
La costante cosmologica Лgµν era considerata una proprietà dello spazio tempo.
Poiché dalle osservazioni di Hubble si vede che l’espansione del universo sta accelerando, la costante cosmologica (il cui significati fisico oggi è associato alla energia del vuoto “zero point energy”) deve essere positiva, anche se molto piccola.
Purtroppo il valore di circa 10-120, congruente con l’espansione osservata, è enormemente inferiore a quanto ci si aspetterebbe dalla fisica teorica.
Mentre la costante cosmologica di Einstein era solo un artificio matematico “per far tornare i conti”, oggi si ipotizza che il relativo contributo sia dovuto alla densità di energia del vuoto ρvacuum .
Dalla teoria quantistica si sa infatti che nel vuoto esistono fluttuazioni, con la continua nascita di particelle e antiparticelle che immediatamente si annichilano l’un l’altra con emissione di energia (equivalenza massa energia E=mc2). Verrebbero così prodotti effetti gravitazionali che assumono il ruolo di costante cosmologica. Questa massa/energia ha un valore di 123 ordini di grandezza superiore a quanto congruente con l’espansione, pari quest’ultimo a 10-29 g/cm3 o 10-123 in unità di Plank (unità di misura fisiche naturali, definite in termini di costanti fisiche universali e dimensionali).
L’equazione si scrive nel modo seguente:
Gµν=(8πG/c4)x(Tµν- ρvac gµν)
Con ρvac=Лc4/8πG
Al aumentare dell’espansione aumenta gµν , metrica dello spazio tempo, e diminuisce il tensore di curvatura dello spazio. La costante cosmologica avrebbe una pressione, proporzionale alla quantità della sua energia, facente sì che l’espansione del universo acceleri.
Il lavoro prodotto da un aumento di volume è
[ΔE]=[-p ΔV]
La quantità di questa energia quantistica in un contenitore vuoto aumenta quando il volume aumenta ed è eguale a ρV, con ρ densità di energia della costante cosmologica.
Si ha così p=ρ
Questa pressione, proporzionale alla densità di energia, produce un lavoro tanto maggiore quanto più grande è il volume di spazio considerato, che a sua volta è tanto maggiore quanto più è espanso l’universo. La pressione farebbe allontanare le galassie le une dalle altre sulla superficie sferica di un universo in espansione sempre più accelerata.
Si osserva per inciso che prima si è parlato di un universo piatto….ma su una sfera di dimensioni immense è lecito trascurare la curvatura.
Sembrerebbe tutto risolto!
Ma non è così.
Dalle osservazioni dello spettro dei raggi X, effettuate tra il 2007 e il 2008 per mezzo del satellite Chandra, emesso dall’ammasso di galassie Abel 85 distante 740 milioni di anni luce, si è ipotizzato che questa forma di energia quantistica potesse influire sulla struttura dello spazio tempo e giustificare la necessità matematica della costante cosmologica. Si è quindi ipotizzato che il destino del universo, nel modello standard del Big Bang, dipendesse sia dalla sua forma che dalla quantità di energia oscura.
Le due principali forme di energia oscura proposte sono:
-la costante cosmologica, di cui abbiamo già discusso,
-la quintessenza.
Già qui si potrebbe vedere come gli astrofisici brancolino nel buio, andando alla ricerca di più spiegazioni per la stessa cosa.
La costante cosmologica è la densità di energia che riempie omogeneamente lo spazio e che fisicamente coincide con la “vacuum energy”. L’aggiunta della costante cosmologica nella teoria base della cosmologia ha portato alla adozione di un modello matematico chiamato Lambda-CDM (cold dark matter), costruito per essere in accordo con le osservazioni.
Questo modello comprende sia l’energia oscura pari a circa il 70% della densità di energia in esso contenuta, sia la materia oscura fredda pari a circa il 26%, sia l’universo visibile (pianeti, stelle, nubi di gas e fotoni) pari a circa il 4%. Il futuro del universo, secondo questo modello, dipenderebbe dal contenuto complessivo di energia rispetto alla sua densità critica. Se la densità è maggiore di quella critica, l’espansione si arresterà e inizierà la contrazione, se invece la densità è inferiore l’espansione continuerà indefinitamente.
Questo modello assume un universo piatto ed è basato su sei parametri:
-la costante di Hubble, che determina la velocità di espansione
-la densità dei barioni Ωb
-la densità della materia totale (barioni+energia oscura)
-la profondità ottica alla reionizzazione τ (il gas neutro, prodotto nei primi istanti, viene ionizzato dall’emissione ultravioletta delle prime sorgenti. Questo ha un notevole effetto sul profilo degli spettri ad alto red shift, originando righe di assorbimento delle piccole quantità di gas neutro presenti nel mezzo intergalattico alla fine del processo. E’ possibile così ottenere una adeguata informazione sulla epoca di reionizzazione e sui principali parametri della cosmologia nonchè dello spettro di potenza delle perturbazioni di materia oscura. Queste osservazioni sembrano in ragionevole accordo con una cosmologia su modello ЛCDM “universo piatto, dominato dalla componente di dark energy di cui alla costante cosmologica Л a basso red shift, rappresentata dalla equazione di stato p=wρc2 con w=1. NOTA: le ultime osservazioni ad alto red shift non escludono una possibile evoluzione temporale tipica dei modelli di “quintessenza”.)
-l’ampiezza delle fluttuazioni scalari (In particolare lo spettro della fluttuazione quantistica di curvatura durante la fase inflazionaria, al fine di poter fare una discriminazione tra i vari modelli inflazionari e svelare il meccanismo che ha guidato l’inflazione cosmica e generato i semi da cui si sono formati gli ammassi di galassie e le galassie. La misura della non isotropia della radiazione cosmica di fondo “CMP” pone dei limiti ben precisi alle condizioni inziali consentendo di scegliere tra i vari modelli inflazionari. Per la previsione delle perturbazioni, possibili solo di tipo statistico, viene adottata una teoria perturbativa. Queste perturbazioni sono di temperatura e di polarizzazione, misurata con il WMAP “sonda spaziale per l’anisotropia delle microonde”. Dal confronto dei dati statistici di queste fluttuazioni, misurate sperimentalmente,con le previsioni teorico statistiche del modello di universo vengono determinati i parametri cosmologici.).
-l’indice spettrale (l’indice spettrale di una sorgente radio mostra le sue proprietà fisiche. Posto S il flusso di una radiazione e ν la frequenza, l’indice spettrale è dato da α=log(S1/S2)/log(ν1/ν2). Ad es. un indice di -0,1 indica emissioni termiche, uno di -0,7 una radiazione di sincrotrone….).
Purtroppo uno dei più grandi problemi non risolti della fisica è che la maggior parte delle teorie quantistiche dei campi prevedono un valore molto grande per la costante dell’energia del vuoto quantico, fino a 123 ordini di grandezza rispetto alla costante cosmologica considerata come energia oscura!
La maggior parte di questa energia dovrebbe pertanto venire annullata da una equivalente quantità di segno opposto!
-La quintessenza è un campo dinamico nel quale la densità di energia varia nello spazio e nel tempo. L’energia oscura potrebbe derivare dall’eccitazione di particelle in alcuni tipi di campi dinamici. Affinché questa non formi strutture come materia, deve essere molto leggera in modo tale da avere una lunghezza d’onda di Compton molto grande (è una proprietà quanto-meccanica di una particella λc=h/m0c).
Scegliere l’uno o l’altro modello richiede accurate misure della velocità di espansione nel tempo. Il coefficiente di espansione è parametrizzato dall’equazione di stato, la cui valutazione dalle osservazioni è uno dei più ardui problemi della cosmologia.
Esistono altri modelli di gravità quantistica (ad es. gravità quantistica a loop) che potrebbero spiegare le proprietà cosmologiche senza far ricorso all’energia oscura.
L’energia oscura e l’accelerazione cosmica sembrano così essere prova del fallimento del modello standard del Big Bang, costringendo i cosmologi a ricercare qualcosa di completamente nuovo.

Ma allora come si spiega l’accelerazione dell’espansione?
E’ spiegato nel mio libro: “Il tempo è compiuto” edito da Booksprint edizioni.

Mi piacerebbe che qualcuno non facesse finta di ignorare quanto da me scritto!