Le… chiavi di Schrödinger?

Se non trovo le chiavi, possono essere sul comò in entrata, nascoste sotto un giornaletto pubblicitario, o magari le ho dimenticate attaccate alla porta. Finché non le trovo, ovviamente, non so quale. È un po’ come sigillare un atomo radioattivo in una scatola e lasciarlo isolato lì: finché non apro la scatola, non so se è decaduto o no.

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Colori e sapori dei quark

Il colore di un quark può essere rosso, verde, o blu. E fin qui tutto ok, no? Il sapore di un quark può essere… strano. O incanto, su, giù, alto, o basso. Ma come se li sono inventati questi sapori?

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Che diavolo è un bosone?

Che le particelle siano strane non è proprio una novità. Ad esempio, si comportano (in un certo senso) come se girassero come una trottola. Però non si stanno muovendo affatto. E anche se lo facessero, a provare ad immaginare come lo fanno probabilmente ci si scioglierebbe il cervello, tanto è inconcepibile. Fortunatamente c’è però una proprietà che misura questo trottolare (anche se nulla si sta muovendo) e si chiama “spin”.

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Come si cercano le particelle

Magari avete sentito le notizie di quest’estate che il CERN non ha poi trovato la particella che si pensava avessero trovato. E magari vi ha fatto realizzare che il processo con cui “si trovano le particelle” non è per niente chiaro. Fortunatamente Abstrusegoose (riposi in pace) qualche tempo fa fece una bellissima striscia, piuttosto illuminante su come funziona la fisica delle alte energie.

L'analogia funziona anche con le rane. O meglio, non funziona. Comunque, non provateci per favore! credit: abstrusegoose.com

Come dice abstrusegoose, gli ex fisici delle particelle sono i peggiori biologi. L’analogia funziona anche con le rane. O meglio, non funziona. Comunque non provateci per favore! credit: abstrusegoose.com

Anche se un po’ vago sui dettagli, il processo è più o meno quello*, solo che si usano protoni (o altre particelle) al posto delle rane. In breve: li si spara fortissimo uno contro l’altro e si vede cosa ne esce.

Protoni e rane, però, hanno alcune fondamentali differenze, e due in particolare sono cruciali per noi. Primo: un protone non è un oggetto solido, non ha nulla “dentro” (e non ha un “dentro”, se è per quello). Secondo, rimettendo insieme i pezzi delle rane, otterremo di nuovo le due rane. Nulla meno (se siamo molto bravi a raccogliere i pezzi), ma sicuramente nulla di più. Per le particelle è tutta un’altra storia.

Gli acceleratori come LHC spingono le particelle quasi alla velocità della luce. Siccome la massa può diventare energia e viceversa, l’inimmaginabile energia liberata quando le particelle si scontrano può produrre ogni sorta di cose nuove ed esotiche che non c’erano prima. E può avere molta più massa di quella con cui siamo partiti: più veloci sono i nostri protoni, più massa ha la roba che esce. Il bosone di Higgs, ad esempio, è stato scoperto scontrando coppie di protoni, ma ha 60 volte più massa. Sarebbe come se, scontrando due rane, uscisse qualcosa delle dimensioni di un bambino delle elementari.

Tuttavia, queste particelle formate nella collisione non si possono vedere direttamente, in parte perché restano lì davvero pochissimo. Mooolto meno di un miliardesimo di secondo dopo la collisione sono già decadute, sparando fotoni e particelle più piccole in ogni direzione.

Avete presente quelle belle immagini con tutte le linee colorate che pubblicano i laboratori di fisica delle particelle? Ecco, quelle linee sono la traiettoria di questi detriti sparati fuori.

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I prodotti di una collisione nell’esperimento ALICE del CERN. Credit: home.cern

Quella è la roba che i fisici studiano davvero. Ci sono rivelatori tutto intorno al punto della collisione per misurare e tracciare e contare quanto di quale tipo di ciarpame subatomico è uscito e dov’è andato. Sapendo come decadono varie particelle, gli scienziati setacciano i dati e risalgono a cosa è successo subito dopo la collisione.

Quando trovano troppo o troppo poco di qualcosa inizia il divertimento, perché potrebbe significare che si era formata una nuova particella sconosciuta. Perciò tutti si erano agitati per i dati del CERN lo scorso anno. Oppure potrebbe significare che i modelli che ci dicono cosa aspettarci dai decadimenti sono sbagliati, che comunque è interessante. Oppure potrebbe voler dire che si sono formate le solite particelle e, per caso, sono decadute più spesso in un modo piuttosto che in un altro. Questo è quello che è poi successo coi dati del CERN: quando hanno analizzato più collisioni, la media è tornata dove ci si aspettava. Niente nuova particella.

Per saperne di più
  • Sotto sotto, la massa è più complicata della quantità di materia in un oggetto. Magari ne scriverò. Per ora, andatevi a vedere questo bel video con Sean Carrol che esplora questi aspetti
  • Come si fa a vedere i prodotti della collisione: il CERN spiega come funzionano i suoi rivelatori

Foto copertina: LHC, CC-BY-NC-ND UCI UC Irvine via Flickr. Some rights reserved.

*Osservazione del fisico pedante: l’acceleratore di rane non è un collider e LHC non funziona proprio così. Ma va anche bene così: sta pur sempre usando delle rane!

(La particella di) Dio non esiste

Il 4 luglio 2012, il CERN (l’Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare) annunciò di aver trovato le prove dell’esistenza di una nuova particella: il famigerato bosone di Higgs.

Purtroppo, molti hanno conosciuto questa meravigliosa particella come “particella di Dio”. L’etichetta— non particolarmente popolare tra i fisici—gli è rimasta attaccata dall’accattivante titolo di un libro del premio Nobel Leon Lederman (che, pare, ne volesse uno molto diverso). Questo nome ha creato molta confusione, dato che (una volta per tutte) Dio non c'entra proprio nulla.

Peter Higgs, CC-BY Bengt Nyman via Flickr.

Il bosone di Higgs deve il suo nome al fisico Peter Higgs, che ha teorizzato la sua esistenza negli anni ’60.

La sua teoria prevedeva un processo—fantasiosamente chiamato “meccanismo di Higgs“—che chiudeva l’ultimo buco rimasto nel Modello Standard, la grande teoria che raccoglie più o meno tutto quello che sappiamo delle particelle e le loro interazioni. Peraltro un buco piuttosto significativo: il meccanismo di Higgs fa in modo che le particelle elementari, come elettroni e quark abbiano massa. Sembra trascurabile: in fondo, tutti gli elettroni del nostro corpo messi assieme hanno una massa di appena qualche grammo. Però, come spiega (nel video sotto), Josh Bendavid del MIT,

Questo è assolutamente fondamentale per la nostra stessa esistenza, perché se l’elettrone non avesse massa, non potrebbe essere legato ad un protone e non si potrebbero formare gli atomi. E allora le stelle, i pianeti, la chimica, la vita non potrebbero esistere.

Trovare il bosone era la verifica sperimentale della teoria, che ha lanciato Higgs e il suo collega e co-autore della teoria François Englert al premio Nobel per la fisica 2013*.

Dopo questo successo, il grande acceleratore (il famoso LHC) usato per gli esperimenti è stato potenziato ulteriormente, passando da essere il più potente acceleratore del mondo ad essere di gran lunga l’acceleratore più potente. Tra i suoi ambiziosi obiettivi per il futuro c’è cercare una spiegazione per la materia oscura.

Mentre il CERN dà la caccia alle prossime grandi risposte, questa settimana vale la pena festeggiare il loro più grande risultato.

 

Foto: LHC – ALICE Detektor, CC-BY-SA Frank Weber, via Flickr. Some rights reserved.

*Correzione: Il post aveva erroneamente identificato le collaborazioni dietro agli esperimenti ATLAS e CMS del CERN come co-vincitori del Premio Nobel.

Uno spezzatino di (quasi-)particelle

Ogni elettrone ha uno spin, una specie di bussola interna, che (semplificando un sacco) punta “su” o “giù”. Sparando dei neutroni contro un materiale e vedendo come rimbalzano, si può capire come interagiscono con lo spin degli elettroni e, quindi, come sono orientati gli spin.

In un esperimento con un particolare materiale (il cloruro di rutenio) sembra che gli spin puntino disordinatamente un po’ ovunque.

Un’interpretazione artistica del liquido di spin. In questo stato, gli elettroni sono orientati in modo disordinato, come le molecole di acqua in un bicchiere. Credit: Francis Pratt / ISIS / STFC

Questo nuovo stato, detto liquido di spin, appare se gli elettroni si “spezzano” in particelle: i fermioni di Majorana.

C’è solo un piccolo problema: gli elettroni non possono spaccarsi in parti perché sono un blocco unico. Come fanno allora i fermioni di Majorana ad esistere?

Strettamente parlando, non esistono. Gli elettroni non si spezzano davvero, però si comportano come se lo facessero. Perciò i fermioni di Majorana sono chiamati “quasi-particelle”: entità utili da includere nei modelli, ma impossibili da trovare in natura.

I fermioni di Majorana non erano mai stati osservati prima, ma hanno importanti applicazioni per i superconduttori e i computer quantistici.

 

Foto copertina: CC0 ikinitip, via pixabay.

Come fanno le cose ad essere opache

Gli atomi, per la maggior parte, sono vuoti: lo spazio tra il nucleo e gli elettroni è enorme. Ma allora perché non è tutto trasparente? Spoiler: è perché le dimensioni contano.

Il fatto è che, anche se dentro sono molto vuoti, gli atomi sono molto molto piccoli, molto più della lunghezza d’onda della luce visibile. Per un’onda come la luce, distinguere dettagli più piccoli della propria lunghezza d’onda è impossibile. Sarebbe un po’ usare dita troppo grosse per digitare su tasti troppo piccoli, o leggere il Braille indossando guanti da forno.

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Credit: Inductiveload, via Wikipedia. Pubblico dominio.

In pratica, per la luce visibile, un atomo è una pallina compatta. Ma allora perché non è tutto opaco? Come fanno le finestre ad essere trasparenti, ma i muri no?*

I fotoni che compongono la luce hanno, ciascuno, una precisa quantità di energia, che possono cedere ad un elettrone quando lo incontrano. Il fatto è che i fotoni non possono cedere solo un po’ di energia, devono dar via tutto il pacchetto. C’è questo bel video che lo spiega molto bene.

Gli elettroni attorno agli atomi sono anche obbligati ad avere particolari e molto specifici livelli energetici. Questo li rende estremamente schizzinosi. perché permette loro di accettare solo i fotoni che portano quel pacchetto con l’esatta energia che serve per il prossimo salto. Né meno, né più. Se l’elettrone accetta il pacchetto, il fotone sparisce (viene assorbito). Se, invece, l’elettrone si rifiuta, la luce rimbalza contro l’atomo e se ne va.

L’energia che portano i fotoni dipende dalla loro lunghezza d’onda: più corta è l’onda, più ha energia. Sicché, la disposizione livelli energetici degli elettroni di un atomo (o di una molecola di più atomi) determina per quale luce è trasparente.

Nel vetro di una finestra, ad esempio, gli elettroni hanno un grosso scalino energetico da scalare, e non si accontentano di fotoni di luce visibile, ma assorbono molta luce ultravioletta, che ha più spinta. Perciò il vetro è trasparente. Gli elettroni del muro intorno alla finestra, invece, sono ben contenti di prendersi anche la luce visibile e non possiamo vedergli attraverso.

Come la bellezza, la trasparenza del mondo è nell’occhio di chi guarda. O almeno nella luce che vede.

Per saperne di più

 

Foto copertina: Galena Window with Horse, CC-BY-NC-ND Terence Faircloth, via Flickr. Some rights reserved.

*Correzione: Originariamente, questo post diceva che era la struttura in cui sono disposte le molecole di materiale a determinare la sua trasparenza. Sebbene la struttura abbia una piccola parte, non è il motivo principale.

La meccanica quantistica è davvero così difficile?

Sì, lo è. Ma nuovi esperimenti mostrano che si potrebbe renderla più intuitiva, con l’aiuto di una vecchia teoria.

Semplificando tantissimo, la meccanica bohmiana è una versione della meccanica quantistica degli anni ’50 secondo cui le particelle microscopiche si comportano come oggetti macroscopici (palline, diciamo) ma spinte da una speciale forza quantomeccanica.

Le stranezze quantistiche—dal celebre gatto alle particelle che stanno in posti diversi contemporaneamente—verrebbero dalle particolarità di questa forza, invece che da regole completamente nuove.

La teoria, però, non sembrava descrivere bene il movimento di speciali coppie di particelle che si influenzano a vicenda (cosiddette “in entanglement“).

Aephraim Steinberg dell’Università di Toronto e i suoi colleghi mostrano, con degli esperimenti pubblicati su Science Advances, che quei problemi della teoria erano dovuti a come erano fatte le misure. Se anziché le singole particelle si considerano le coppie, le previsioni della meccanica bohmiana funzionano!

Rivalutando questa teoria, Steinberg non vuole rivoluzionare la fisica, ma aggiungere un punto di vista: “Diverse rappresentazioni possono essere utili”, dice, “perché aiutano a formare intuizioni migliori”.

Finalmente potremo dare senso anche le magie quantistiche.

 

Foto copertina: CC0 Ryan McGuire, via gratisography.com

Come dare il nome un elemento

Volete dare il nome ad un elemento della tavola periodica? Facile! Seguite questa semplice guida.

Prima di tutto bisogna scoprire un elemento. La tavola periodica non ha buchi: tutti gli elementi con 118 protoni o meno sono già stati trovati. Siccome i nuclei molto popolosi non stanno assieme a lungo, non si trovano elementi così pesanti in natura: bisogna fabbricarli.

Questo potrebbe richiedere un po' di lavoro.

Semplificando molto, per creare un nuovo elemento si fondono due elementi esistenti. Per scoprire gli ultimi 4, hanno messo ioni di Calcio in un acceleratore, facendoli sbattere contro nuclei di Berkelio, sperando che si fondessero.

Tutti gli elementi dell’universo si sono formati così: o producendo energia nelle stelle o assorbendone durante l’esplosione di una stella.

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Chi ha fabbricato gli elementi. CC-BY-SA: Cmglee, via Wikipedia

Se il nucleo del vostro elemento sta assieme per almeno un centimillesimo di miliardesimo di secondo, dovete capire quanti protoni ha. Non serve sapere quanti neutroni. A nessuno interessano i neutroni.

Passo numero 2: pubblicare la vostra scoperta su una rivista e aspettate che qualcuno ripeta il vostro esperimento.

Quando il vostro atomo è stato riprodotto anche da altri, si va al passo 3: contattare l’Unione Internazionale di Chimica Pura e Applicata (IUPAC). IUPAC analizzerà i risultati e annuncerà ufficialmente la scoperta, dando all’elemento un nome provvisorio.

Congratulazioni! Come scopritori potete fare il passo finale: scegliere un nome… concordato con le migliaia di persone che hanno fatto il lavoro con voi. Potete scegliere il nome che volete. Purché sia un riferimento mitologico, uno scienziato, un luogo, un minerale o una proprietà, e venga approvato da IUPAC.

Insomma è un po’ come dar il nome ad un bebè. Ma in quel caso il primo passo è meno complicato.

 

Aggiornamento del 4/12: Gli elementi sono stati ufficialmente approvati e sono entrati nella tavola periodica, che ora è così:

credit: sciencenotes.org

Per saperne di più
  • Dopo che gli elementi sono stati ufficialmente aggiunti alla tavola periodica, sono entrati anche nella “tavola periodica dei video” del canale YouTube Periodic Videos, che ne spiega le caratteristiche

 

Foto copertina: Pizza lab, CC-BY-NC-ND clement127, via Flickr. Some rights reserved.

 

 

Cannocchiali nello spazio

Da Galileo in poi, usiamo lenti e cannocchiali per esplorare l’universo. Ma l’universo stesso ci dà delle lenti con cui osservarlo. Anche se è un po’ più complicato.

Questa bellissima foto mostra quattro galassie (i quattro pallini gialli al centro), che si stanno lentamente scontrando l’una con l’altra a circa un miliardo di anni luce da noi. Dandogli tempo, finiranno per essere un unico blob galattico.

La mia parte preferita è quella specie di aura blu che si vede intorno a queste galassie. Quella è la luce di un’altra galassia, lontano sullo sfondo, che non si vede perché è coperta dalle quattro davanti. Guardando bene, infatti, si vede pure che l’aura blu è fatta di quattro immagini distorte della galassia: si vede il centro (i pallini più chiari), la struttura a spirale della galassia e tutto quanto.

Quando l’ho vista mi sono entusiasmato perché per la prima volta ho visto una lente gravitazionale in funzione.

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Uno schema di come la luce della galassia lontana ci raggiunge attraverso una lente gravitazionale. Credit: NASA/ESA

La lente gravitazionale funziona più o meno così: la gravità di un oggetto nello spazio devia la luce che gli passa vicino, seppure di pochissimo. Più massa ha un oggetto, più riesce a deviare la luce. Perciò un oggetto con moltissima massa, come una galassia, devia significativamente la luce, così anche cose nascoste in secondo piano diventano visibili. Ed ecco che appare la nostra galassia blu, distorta attorno alle quattro che gli stanno in realtà davanti.

Oltre che una figata, le lenti gravitazionali sono anche utili. Infatti, sapendo di quanto la luce è stata deviata, si può stimare abbastanza precisamente la massa delle galassie in primo piano, compresa la materia oscura, che altrimenti non sarebbe misurabile.

Foto di copertina: Dr Richard Massey, Durham University.