Un team di ricercatori statunitensi del Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha creato una molecola che, per alcuni istanti, è diventata il corpo più freddo di tutto l'universo conosciuto.
Freddo assoluto. La temperatura più bassa che si può raggiungere in un sistema macroscopico è di 0 kelvin (sigla K), che corrisponde a -273,15 °C. Allo zero assoluto (puramente teorico) le particelle che compongono un sistema sono tutte allo stato fondamentale, ovvero il più basso livello possibile di energia; gli elettroni smettono di muoversi e aderiscono al nucleo, mentre gli atomi di una corpo si uniscono gli uni agli altri, risultando praticamente immobili. (Leggi anche: perché non si può scendere oltre lo zero assoluto?)
A caccia dello zero. Per studiare alcune particolari proprietà della materia, come ad esempio la superconduttività o la superfluidità, gli scienziati hanno tentato spesso di riprodurre in laboratorio temperature che si avvicinassero il più possibile allo zero assoluto, riuscendo in un caso anche a raggiungere valori negativi, sebbene per un tempo infinitesimale.
Nei laboratori del MIT, la squadra guidata dal fisico Martin Zwierlein è riuscita a "congelare" una serie di molecole alla temperatura di 500 nanokelvin, arrivando di fatto a 500 miliardesimi dallo zero assoluto.
La tecnica. Per produrre le loro molecole, i ricercatori hanno utilizzato una miscela gassosa di sodio e potassio, che è stato raffreddato fino quasi allo zero attraverso l'azione combinata di un campo magnetico e di un fascio laser. Il primo ha spinto gli atomi di sodio e potassio ad aderire gli uni agli altri, riducendo così il moto (e l'energia cinetica che genera calore) il più possibile. Il laser è invece servito per "drenare" energia dal sistema, portandolo (quasi) al suo livello minimo.
Obiettivo vicino? Il corpo ultrafreddo ha mantenuto la temperatura prossima allo zero per 2,5 secondi. «Siamo molto vicini alla temperatura alla quale la meccanica quantistica gioca un ruolo importante nel moto delle molecole», spiega Zwierlein. L'esperimento, i cui risultati sono stati pubblicati su Physical Review Letters, si configura come un caposaldo da cui partire per svolgere altre ricerche in futuro.
Gli scienziati cercheranno infatti di perfezionare la tecnica per allungare i tempi e abbassare ulteriormente il termometro, con l'obiettivo di riuscire finalmente ad osservare proprietà della materia finora soltanto teorizzate nei libri di fisica.
Il bosone di Higgs.
La caccia al bosone di Higgs non è ancora finita. L’esistenza del bosone - ultima tessera del grande mosaico del Modello Standard che spiega le particelle fondamentali e le forze che le legano - è stata provata sperimentalmente il 4 luglio 2012 proprio grazie agli esperimenti ATLAS e CMS condotti all’interno di Lhc.
Gli scienziati hanno però ancora molte domande sulle origini della materia: contano di trovare parte delle risposte nei nuovi scontri tra particelle che, all'interno dell’acceleratore, avverranno a livelli di energia ancora più alti rispetto a quelli del 2012. Più energia significa maggior probabilità di “produrre” bosoni di Higgs e di osservarne la brevissima esistenza.
Particelle esotiche. Alcune teorie prevedono l’esistenza di particelle esotiche del tutto nuove, impossibili da identificare e osservare perché incapaci di interagire con le forze elettromagnetiche.
Ma se queste particelle hanno una massa, devono in qualche modo interagire con le forze associate al bosone di Higgs, che diventa così il punto di contatto tra il Modello Standard e una nuova fisica tutta da scoprire.
La materia oscura. La materia oscura riempie ogni angolo dell’Universo: non la vediamo, ma possiamo misurarne gli effetti gravitazionali. Ma che cos’è? Una delle teorie è che sia composta da particelle supersimmetriche speculari rispetto a quelle previste dal Modello Standard.
I dati degli scontri ad alta energia che avverranno nei prossimi anni all'interno di Lhc permetteranno agli astrofisici di indagare più a fondo in questo mistero.
La Supersimmetria.
Il Modello Standard ha funzionato alla perfezione nel prevedere a livello teorico ciò che la fisica sperimentale ha potuto osservare sui blocchi che costituiscono la materia. Tuttavia, la teoria è ancora incompleta.
La Supersimmetria è un’estensione del Modello Standard che ha come obiettivo quello di colmare, almeno in parte, questo vuoto. Lo fa assumendo che per ogni particella del Modello Standard esiste una particella partner che definisce a priori la massa del bosone di Higgs. Se la teoria della Supersimmetria è corretta, gli scontri ad altissima energia che avverranno all'interno del “nuovo” Lhc dovrebbero far comparire queste particelle supersimmetriche.
Nuove dimensioni.
Una delle domande alle quali gli scienziati faticano a trovare risposta è “Perchè la gravità è così tanto debole rispetto alle altre forze fondamentali?”. Una delle ipotesi è che i suoi effetti si perdano, almeno in parte, in un’altra dimensione.
Fantascienza? Mica tanto: i ricercatori del CERN sono determinati a verificare sperimentalmente l’esistenza di questa nuova dimensione ricercando negli scontri all'interno dei 4 rilevatori di Lhc particelle analoghe a quelle del Modello Standard ma più pesanti.
Antimateria. Per ogni particella di materia esiste una corrispondente antiparticella che ha esattamente le stesse proprietà ma carica opposta. Per esempio esiste l’antielettrone, o positrone, che ha le stesse caratteristiche dell’elettrone ma carica positiva.
Quando queste due particelle entrano in contatto, si annichiliscono in un lampo di energia.
Secondo la teoria, il Big Bang ha creato una quantità uguale di materia e antimateria. Dove è finita quest’ultima?
I nuovi scontri ad altissima energia che avverranno all’interno dell’ LHC consentiranno agli astrofisici di produrre nuova antimateria per il loro programma di ricerca: l’obiettivo è quello di studiarne le proprietà per verificare se e quanto differiscono rispetto a quelle della materia.
Il plasma quark - gluoni.
Nei primissimi milionesimi di secondo dopo il Big Bang l’Universo era formato da un brodo densissimo di particelle elementari - quark e gluoni - che si muovevano alla velocità della luce, uniti tra loro da legami deboli che si rompevano e si riformavano in continuazione.
Le collisioni ad alta energia che verranno generate all’interno dell’ LHC permetteranno di ricreare qualcosa di molto simile a questo plasma di quark e gluoni così da dar modo agli astrofisici di osservare da vicino cosa è successo nei primissimi attimi di vita dell’ Universo.
Sarà in particolare l'esperimento ATLAS (e il suo mastodontico rilevatore da 46 metri di lunghezza, 25 metri di diametro e dal peso di circa 7 000 tonnellate, ritratto in questa foto).
Per saperne di più.
A questo punto siete pronti per alcuni ulteriori passi. Nell’ordine:
1. Fare il test per capire quante ne sai di Lhc e della fisica delle particelle.
2. Andare per un giorno al Cern e all’Lhc (ma solo virtualmente).
3. Scoprire a fondo che cosa è stato fatto nei due anni di stop.
4. Leggere che cosa prevedono gli scienziati del Cern.
Foto: © CRN
L'accometaggio di Philae (novembre). Al primo posto non poteva che esserci la missione scientifica che ha riscritto la storia dell'esplorazione spaziale: la fine del viaggio di Rosetta, e l'atterraggio del lander Philae su 67P/Churyumov-Gerasimenko. Il 12 novembre 2014, per la prima volta siamo atterrati su una cometa, e abbiamo potuto annusarne l'atmosfera, fotografarne i colori e scandagliarne la composizione. Philae, che in breve tempo ha esaurito le batterie, prima di cadere in letargo ha raccolto buona parte dei dati previsti. L'Italia ha dato un contributo fondamentale alla missione, a livello scientifico, tecnologico ed economico (vedi lo speciale sull'argomento).
Le altre nove scoperte sono da considerarsi tutte come "seconde a pari merito", in quanto rappresentano importanti passi avanti nella conoscenza compiuti da talentuosi ricercatori. Eccole qui di seguito, in ordine di tempo.
Foto: © ESA
La luce della ragnatela cosmica (gennaio). Servendosi del Keck I Telescope alle Hawaii, e di un quasar utilizzato come "torcia cosmica", alcuni astronomi dell'Università della California di Santa Cruz, tra cui tre italiani (Sebastiano Cantalupo, Fabrizio Arrigoni-Battaia e Piero Madau), hanno ottenuto la prima immagine dei filamenti di gas ionizzato presenti tra le galassie primordiali. Questa ragnatela cosmica di circa 2 milioni di anni luce di diametro, tenuta insieme dalla materia oscura e grande circa il doppio di qualunque nebulosa mai individuata prima d'ora, è stata illuminata come da un flash dal quasar UM 287, distante 10 miliardi di anni luce da noi. L'analisi delle immagini servirà per comprendere meglio la distribuzione dei gas intergalattici e i processi che hanno portato alla formazione dell'Universo.
Foto: © Anatoly Klypin and Joel Primack, S. Cantalupo
Un passo in avanti nella fusione nucleare (febbraio). All'inizio dell'anno, per la prima volta, è stato raggiunto un bilancio energetico positivo (anche se parziale) durante un test di fusione nucleare. Nei laboratori del NIF - National Ignition Facility, presso i Lawrence Livermore National Laboratory, in California, sono state registrate energie superiori a quelle implicite dello stato di plasma del combustibile iniziale. La tecnica utilizzata sfrutta l'inerzia delle particelle di plasma per contrastare la loro espansione termica: 192 raggi laser (nella foto) vengono convogliati all'interno di una conchiglia per colpire la pastiglia di combustibile, contenente una miscela di deuterio e trizio (D-T) allo stato liquido.
Foto: © LLNL
Memoria olografica (febbraio). Da una collaborazione tra i ricercatori dell'Università della California Riverside e del Kotel'nikov Institute russo, è nato un nuovo tipo di memoria olografica basata sull'interferenza delle onde di spin, capace di immagazzinare i dati sotto forma di bit magnetici, e di stipare una mole di dati molto superiore alla capacità dei dispositivi che sfruttano una memoria di tipo ottico.
Foto: © photo via physicsworld.com
Una fibra ottica più efficace (marzo). Utilizzando un effetto fisico noto come localizzazione di Anderson, ricercatori americani dell'Università del Wisconsin, in collaborazione con il Consiglio Nazionale delle Ricerche, l'Istituto Italiano di Tecnologia e il Dipartimento di Fisica della Sapienza di Roma, hanno sviluppato una migliore fibra ottica per la trasmissione di immagini. Rispetto alla fibra tradizionale, il nuovo tipo di fibra è formato da tubi di un materiale simile alla plastica disposti in maniera disordinata, come gli spaghetti all'interno di una scatola. In questo modo viene creata una via di fuga per la luce intrappolata, che viene spinta e confinata lungo il percorso desiderato, senza diffondersi in tutte le direzioni. Qui, una simulazione dell'immagine trasmessa dalla nuova fibra ottica (in alto) e dalla fibra ottica comunemente usata per le immagini endoscopiche (in basso).
Foto: © Salman Karbasi
Raggio traente acustico (maggio). Un team di ricercatori dell'Università dell'Illinois è riuscito a mettere a punto, almeno in laboratorio, una versione funzionante di un dispositivo che un tempo esisteva soltanto nei film di fantascienza: un raggio traente acustico, che sfrutta gli ultrasuoni per attirare a sé, e quindi spostare, oggetti di un centimetro di larghezza applicando loro una forza di alcuni millinewton. È la prima volta che una simile tecnologia viene applicata ad oggetti visibili ad occhio nudo: il dispositivo, perfezionabile, potrebbe un giorno trovare utili applicazioni in campo medico (dove potrebbe essere impiegato per intervenire su piccole cisti o calcoli, isolandoli dal tessuto sano). Qui, un diagramma di come le onde sonore traenti agiscono su un oggetto triangolare.
Foto: © photo via physicsworld.com
Supernova in laboratorio (giugno). Servendosi del laser Vulcan del Rutherford Appleton Laboratory, un team di ricercatori dell'Università di Oxford, guidato dall'italiano Gianluca Gregori, è riuscito a riprodurre, in un laboratorio di una singola stanza, una versione in scala ridotta di un'esplosione di supernova. Potentissimi fasci laser sono stati convogliati in un unico punto, un bastoncino di carbonio spesso poco più di un capello, generando un'enorme quantità di calore e provocando l'esplosione del campione in una camera di gas a bassa densità. L'onda d'urto dell'esplosione ha prodotto nei gas moti turbolenti (vedi foto) simili a quelli che si osservano in certi residui di supernova, come Cassiopea A.
Foto: © photo via physicsworld.com
Il magnetismo degli elettroni (giugno). Anche se il campo magnetico di un singolo elettrone era già stato misurato con accuratezza, le forze magnetiche presenti tra due elettroni non erano ancora state calcolate. Ci è riuscito Shlomi Kotler del Weizmann Institute of Science di Rehovot (Israele), legando agli elettroni due ioni di stronzio e analizzando l'interazione magnetica tra gli elettroni al variare della distanza tra gli ioni. Il lavoro è apparso su Nature a giugno.
Foto: © ack Bertram, Motion Forge
Il Sole in tempo reale (agosto). Il rivelatore Borexino, installato nei Laboratori sotterranei del Gran Sasso dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, è riuscito a misurare in tempo reale il flusso di neutrini prodotti dalle reazioni nucleari che avvengono all'interno del Sole. In particolare è stata misurata la reazione di fusione di due nuclei di idrogeno per formare un nucleo di deuterio: la reazione iniziale del ciclo di fusioni nucleari che produce circa il 99% dell'energia solare. Lo studio, pubblicato ad agosto su Nature, ha evidenziato che l'emissione di energia del Sole è rimasta invariata negli ultimi 100 mila anni.
Foto: © Borexino INFN
La compressione quantistica (settembre). Fisici giapponesi e canadesi hanno dimostrato per la prima volta che è possibile ottenere la compressione di bit quantistici (i cosiddetti qubit), con un processo simile a quello che si usa per comprimere i dati nei normali computer. In particolare è stato possibile comprimere tre qubit in soli due fotoni, un passo che potrebbe permettere, in futuro, di espandere enormemente le capacità di calcolo dei computer.
Foto: © ANDRZEJ WOJCICKI/Science Photo Library/Corbis
