Quanto è stabile il nostro Universo?

La stabilità del nostro universo è stata messa in discussione dalla scoperta della massa del bosone di Higgs, ma l'incertezza legata alla misura non permette di determinare le sorti dell'universo.

SCOPERTE – Quanto è stabile l’universo in cui viviamo? È questa la domanda alla quale ha cercato di rispondere un gruppo di fisici teorici guidati da Alexander Bednyakov del Joint Institute of Nuclear Research di Dubna, in Russia. La questione era stata sollevata a seguito della misura della massa del bosone di Higgs a inizio 2013, con l’annuncio di una possibile distruzione dell’universo, e rilanciata circa un anno fa nientemeno che da Stephen Hawking. I risultati della ricerca, condensati in un articolo pubblicato il 9 novembre su Physical Review Letters, dicono che forse non andrà così.

I risultati dell’esperimento di LHC (Large Hadron Collider, il più grande acceleratore di particelle al mondo) indicano che la massa del bosone di Higgs si aggira intorno a 126 GeV (miliardi di elettronVolt), un valore molto critico per le sorti dell’universo. Se fosse appena più piccola, infatti, questo sarebbe completamente instabile, con leggi fisiche in continuo cambiamento, mentre se fosse appena più grande sarebbe perfettamente stabile.

Secondo i dati a disposizione, invece, l’universo si trova esattamente nel mezzo in una ristretta fascia intermedia. Questo perché esiste una condizione più stabile, con leggi fisiche differenti, in cui può scivolare, portando alla distruzione il mondo che conosciamo. È come se l’universo si trovasse sull’orlo di un precipizio: da un lato c’è la totale stabilità, dall’altro la distruzione. Può rimanere sul limite, ma può anche cadere in qualsiasi momento: questa condizione è chiamata metastabilità. Stando così le cose, l’universo potrebbe rimanere come lo conosciamo anche per miliardi di miliardi di anni, ma non in eterno (qui un’infografica di INFN/Centimetri riassume molto bene la questione).

La catastrofe tuttavia potrebbe non essere così sicura in quanto la massa del bosone di Higgs (e in parte anche quella del quark top) è conosciuta ancora con un grande errore. Analizzando in modo approfondito i dati, infatti, il gruppo di ricerca di Alexander Bednyakov ha trovato che questa incertezza non consente ancora di determinare le sorti dell’universo. In altre parole, la massa stimata è proprio a cavallo del limite che divide la stabilità dalla metastabilità. Anche se la seconda appare al momento più probabile, secondo lo studio di Bednyakov, l’universo non va ancora dato per spacciato, in attesa di ottenere dati più precisi.

Il motivo della possibile distruzione dell’universo è dovuto al campo di Higgs, la cui esistenza è stata confermata con il rilevamento del bosone di Higgs nel LHC nel 2012**. Al campo di Higgs è associata una certa energia, che di fatto permea tutto l’universo ed è presente anche nello spazio vuoto. In generale la condizione più stabile per un sistema si ha quando l’energia è minima e questo vale anche per il campo di Higgs. Un masso su un pendio, per esempio, non rimane fermo, ma rotola giù fino a raggiungere il minimo di energia potenziale in fondo alla valle.

La domanda quindi è: il campo di Higgs è nel suo minimo di energia? La massa del bosone di Higgs confrontata con la massa della particella elementare più grande, il quark top (173 GeV), ha portato i fisici a concludere che il campo non è nel minimo assoluto, ma in un minimo relativo. Questo implica che l’energia del vuoto non è la minore possibile: il vuoto nell’universo è in realtà un falso vuoto. È come se la valle in cui è rotolato il masso non fosse la più profonda, ma lo fosse un’altra al di là di una collina. Il masso in fondo alla valle è stabile, ma non è nel minimo assoluto di energia potenziale. Se si riuscisse a portarlo in cima alla collina aumentando temporaneamente la sua energia e farlo rotolare dall’altro lato si ritroverebbe nella condizione con la minore energia possibile. La stessa cosa vale per il campo di Higgs, che a quanto pare ha un minimo di energia più basso nel quale potrebbe finire.

L’energia affinché questo possa avvenire è enorme, oltre i 100 miliardi di GeV, non raggiungibile né negli esperimenti sulla Terra, né nei fenomeni astrofisici più violenti, ma questo non ci può mettere al sicuro. Perché? Se nulla può portare il masso in cima alla collina come può mai finire dall’altra parte? Purtroppo la meccanica quantistica funziona in maniera particolare. L’effetto tunnel infatti può permettere al campo di Higgs di saltare direttamente nell’altro minimo, prendendo in prestito l’energia che serve per il salto. Ciò può avvenire a patto che il prestito di energia sia sufficientemente breve e la possibilità è tanto minore quanto maggiore è l’energia richiesta.

Nel caso del campo di Higgs, la probabilità è infinitesimale e ci possono volere triliardi di triliardi di anni prima che avvenga la transizione nell’altro minimo. Tuttavia anche nell’immediato non possiamo dirci sicuri: anche se estremamente improbabile, il salto può avvenire in qualsiasi momento, in qualsiasi punto dell’universo creando una bolla di universo più stabile e con un’energia del vuoto minore. Si passerebbe quindi da uno stato di falso vuoto a uno di vuoto vero. Una volta innescato, il fenomeno sarebbe irreversibile e la bolla di vero vuoto si espanderebbe alla velocità della luce inghiottendo tutto. Per lasciare il posto a cosa? Come sarebbe questo nuovo universo?

Nell’altro minimo il campo di Higgs avrebbe un’energia minore e questo modificherebbe tutte le leggi fondamentali della fisica e le proprietà delle particelle. Il mondo in cui viviamo fatto di atomi, molecole e stelle verrebbe spazzato via per fare posto a un mondo con caratteristiche completamente diverse. In realtà nulla ci dice che la transizione non sia già avvenuta da qualche parte, in quanto viaggiando alla velocità della luce non potrebbe essere osservata se non quando ci ha raggiunto. E in quel caso non avremmo neanche il tempo per accorgercene.

Queste conclusioni potrebbero però essere premature per altri motivi. Infatti l’esistenza della materia e dell’energia oscura, che insieme costituiscono il 95% di tutto l’universo, indicano che probabilmente esiste una fisica che ci è sconosciuta e non rientra nel cosiddetto Modello Standard, il che potrebbe cambiare completamente le carte in gioco.

Leggi anche: Una misura più precisa per la massa del bosone di Higgs

Pubblicato con licenza Creative Commons Attribuzione-Non opere derivate 2.5 Italia.   
Crediti immagine: CERN/CMS/Taylor, L; McCauley, T

** Il giorno 18 novembre 2015 è stata eliminata la frase: “(in realtà non si ha ancora la completa certezza sui risultati)” in quanto la scoperta del Bosone di Higgs non è in discussione.

Informazioni su Vincenzo Senzatela (37 Articles)
Ho studiato astrofisica e cosmologia a Bologna. Dopo la Laurea ho deciso di impegnarmi nella divulgazione scientifica e sto svolgendo il master in Comunicazione della scienza alla SISSA.

6 Commenti su Quanto è stabile il nostro Universo?

  1. Trovo fuori luogo l’affermazione in parentesi: “(in realtà non si ha ancora la completa certezza sui risultati)” . Non c’è alcun dubbio sulla scoperta del bosone di Higgs da parte degli esperimenti ATLAS e CMS a LHC come confermato dal comunicato stampa del CERN a marzo 2013
    http://press.web.cern.ch/press-releases/2013/03/new-results-indicate-particle-discovered-cern-higgs-boson
    e, non ultimo, dal premio Nobel per la fisica 2013 ai teorici Peter Higgs e Francois Englert.

  2. La completa stabilità dell’universo è inimmaginabile. La scoperta del bosone di Higgs è un fatto certo, ma non esaustivo nei suoi risultati. La teoria del Big Bang è, in ogni caso, da rivedere.

  3. Complimenti, bell’articolo e affascinante.
    L’ho trovato di “facile” comprensione anche per profani.

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