2 – MOTIVAZIONE SCIENTIFICO-CULTURALE PER LO STUDIO
DEI RAGGI COSMICI
2.1 – Considerazioni generali: flusso di raggi cosmici e loro legame con
caratteristiche fondamentali dello spazio cosmico in cui ci troviamo e
della nostra Stella
I raggi cosmici sono stati scoperti all’inizio del secolo scorso e hanno dato
vita alla scoperta dell’Universo Subnucleare.
Dopo cent’anni di ricerche teoriche e sperimentali, la nuova frontiera nello
studio di questa radiazione, che arriva sulla Terra da ogni parte del Cosmo, è
rappresentata dai valori estremi dell’energia che essi trasportano.
In questi ultimi anni il flusso dei raggi cosmici è stato associato alle
variazioni climatiche che, nel corso degli ultimi cinquecento milioni di anni, hanno
visto per ben quattro volte sciogliersi le calotte polari e per altre quattro volte
riformarsi. Queste variazioni che avvengono su scale temporali di milioni e milioni
di anni sono legate al percorso che noi ci troviamo a compiere attraverso lo spazio
cosmico lungo le spirali della nostra Galassia.
C’è un’altra scala di tempi ben diversa e che si articola su decine di secoli,
più esattamente sui mille anni. Accade che, anche in questo caso, il flusso dei raggi
cosmici ha un ruolo primario. Esso determina la produzione di un isotopo che si
deposita poi nelle calotte polari. E stavolta ad avere un effetto sul clima è l’attività
del Sole con le sue macchie. Ancora una volta entra in gioco il flusso dei raggi
cosmici in quanto, se aumenta il numero di macchie solari, aumenta lo schermo
protettivo del campo magnetico solare e si riduce quindi il flusso dei raggi cosmici.
C’è infine il flusso dei corpi celesti che ha determinato le cosiddette grandi
estinzioni sulla Terra. Il flusso dei corpi celesti non dovrebbe avere alcun legame con
il flusso dei raggi cosmici, purtuttavia l’andamento dei flussi è un problema di grande
attualità e va quindi studiato.
Portare nelle Scuole questi temi è un motivo nuovo ed efficace per attrarre
l’attenzione delle migliori energie intellettuali delle nuove generazioni di potenziali
futuri scienziati.
Il Progetto EEE si basa sul coinvolgimento diretto dei giovani in questa
grande avventura scientifica. Infatti saranno gli stessi giovani a partecipare alla
costruzione, installazione e messa in funzione nelle loro Scuole dei rivelatori in grado
di osservare i segnali cosmici. Partendo da questi segnali, i giovani potranno
partecipare in prima persona all’elaborazione dei dati fino all’analisi e alla loro
interpretazione.
Il progetto si articola nelle seguenti tre fasi:
1 – costruzione dei rivelatori MRPC,
2 – realizzazione del telescopio con MRPC e messa a punto della
strumentazione,
3 – presa dati e analisi.
Il progetto avrà inizio con la partecipazione di un primo gruppo di Scuole
Secondarie Superiori che vanno dall’estremo Nord al limite Sud della nostra Italia (si
veda il successivo Capitolo 7).
Il periodo iniziale sarà seguito dalla estensione del progetto in modo da
permettere a tutte le Scuole interessate (Capitolo 7) di partecipare a questa impresa di
diffusione della Cultura Scientifica attraverso la realizzazione di un esperimento di
grande attualità.
2.2 – L’idea che ha portato alla invenzione del rivelatore MRPC
Lo strumento che sarà istallato nelle Scuole è denominato MRPC (Multigap
Resistive Plate Chamber) ed è stato inventato [Ref. 1] allo scopo di misurare con
grande precisione il tempo di volo delle particelle subnucleari (esempio: pioni,
muoni, elettroni). L’obiettivo era di riuscire a ottenere una precisione di cento
picosecondi. Un picosecondo (simbolo ps) corrisponde a un millesimo di
miliardesimo di secondo e si esprime (in secondi) con dodici potenze negative di
dieci; pertanto: un picosecondo ≡ 1 ps = 10−12 sec = 0,000000000001 sec.
L’idea base del rivelatore MRPC è quella di evitare l’uso di un gran numero
di connessioni elettriche che dovrebbero essere necessarie per dare a ciascun piano
intermedio un livello diverso di potenziale elettrico. Per evitare questa enorme
complicazione è necessario far uso della proprietà che ha un campo elettrostatico di
assumere, nello spazio che separa i due piani estremi dello strumento,
automaticamente i valori desiderati.
Ottenuto il livello di precisione di 100 ps sono stati necessari diversi anni di
studi e ricerche per arrivare a guadagnare un fattore due nella precisione. E oggi
siamo addirittura ai 40 ps, come mostrano i dati della Figura 2. La precisione di 40
ps è un primato finora insuperato [Ref. 2]. Ecco perché abbiamo deciso di concludere
le nostre attività di R&S (ricerca e sviluppo) sui rivelatori MRPC e di passare alla
costruzione in serie dei rivelatori che saranno usati per studiare al CERN (Capitoli 2.3
e 2.4) il cosiddetto “plasma di quark e gluoni”.
2.3 – Dettagli sul rivelatore MRPC
Il rivelatore MRPC è un rivelatore estremamente sofisticato. Il suo principio
di funzionamento è però quello di un semplice condensatore piano nella cui
intercapedine è presente un gas.
Una particella dotata di carica elettrica, nell’attraversare il gas, vi lascia una
scia di cariche elettriche in virtù del fenomeno detto “ionizzazione”. Infatti vi è una
certa probabilità che la particella, che chiameremo “particella incidente”, urti un
atomo (o molecola) del gas e che da quest’ultimo salti fuori un elettrone con carica
negativa. L’atomo (o molecola) è inizialmente neutro, ossia con carica elettrica totale
nulla, per effetto della compensazione di tutte le cariche elettriche presenti al suo
interno: le cariche elettriche positive nel nucleo (i protoni) e quelle negative della
nuvola di elettroni che si trova intorno al nucleo. Avendo perso un elettrone in
seguito all’urto, l’atomo (o molecola) diventa uno ione con carica positiva. La
particella incidente ionizza vari atomi (o molecole) lungo il suo percorso e genera
così una scia di cariche. Il fenomeno è di natura elettromagnetica e non avviene se la
particella incidente è priva di carica elettrica.
Le cariche elettriche generate nel gas all’interno del condensatore si
muovono verso le armature del condensatore: gli elettroni verso l’armatura
positivamente carica (detta anodo), gli ioni positivi verso l’armatura negativamente
carica (detta catodo). Il movimento di queste cariche verso le armature è all’origine
del segnale elettrico indotto sulle armature. È questo segnale elettrico che viene usato
per rivelare il passaggio della particella.
Per essere sicuri di rivelare ogni particella carica che attraversa il gas, è
necessario che il segnale prodotto sulle armature sia sufficientemente grande. Ciò è
possibile se lo spessore di gas nell’intercapedine è adeguato e se il campo elettrico nel
condensatore è molto elevato, ossia se la differenza di potenziale tra le armature è
molto grande (in tal caso si dice che il sistema è operato ad alta tensione). Infatti gli
elettroni prodotti nel gas per ionizzazione, essendo circa duemila volte più leggeri
degli ioni, vengono fortemente accelerati dal campo elettrico e sono in grado, a loro
volta, di ionizzare altri atomi (o molecole) del gas. Si creano così, per
moltiplicazione del numero iniziale di cariche di ionizzazione, delle piccole valanghe
elettromagnetiche lungo il percorso della particella incidente. Il moto collettivo delle
valanghe verso le armature assicura che il segnale sia ben evidente e dunque che il
dispositivo abbia un’elevata efficienza di rivelazione delle particelle incidenti.
La proprietà fondamentale del rivelatore MRPC (Figura 3) è quella di rivelare
con grande precisione la posizione (il punto) e l’istante di tempo in cui avviene il
passaggio della particella incidente.
A tale scopo:
- le facce delle armature metalliche (quindi conduttrici) del condensatore a contatto con il gas sono rivestite di materiale dielettrico, detto anche resistivo: per esempio, vetro o plastica;
- le armature metalliche, dette elettrodi di raccolta dei segnali, sono segmentate in striscioline (strip) o rettangolini (pad);
- l’intercapedine contenente il gas tra le armature è suddivisa in tante sotto-intercapedini (gas gap) di piccolissimo spessore tramite sottili piani intermedi di materiale resistivo.
Il punto 1 garantisce che il segnale indotto dal movimento delle valanghe,
prodotte lungo il percorso della particella incidente, non si sparpagli su tutta l’area
dell’elettrodo ma rimanga confinato in una piccola zona. Grazie alla segmentazione dell’elettrodo stesso (punto 2), il segnale sarà così “visto” da una sola strisciolina. In
questo modo il punto di passaggio della particella incidente potrà essere determinato con la precisione che deriva dalle dimensioni della strisciolina stessa.
Il punto 3 garantisce la precisione temporale. Infatti, a seconda della
posizione in cui è prodotta una valanga nello spessore di gas tra gli elettrodi, lungo il
percorso della particella incidente, vi sarà una variazione del tempo di comparsa del
segnale sugli elettrodi. Diminuendo lo spessore dell’intercapedine di gas, questa
variazione viene ridotta al minimo. La precisione temporale dipende in realtà dal
tempo che impiega la luce a percorrere quel determinato spessore ed è quindi
determinata dallo spessore stesso delle sotto-intercapedini: tanto più sono sottili, tanto
più aumenta la precisione.
Ai livelli di spessore minimo da noi usati per le sotto-intercapedini (un
quarto di millimetro) nessuno era finora riuscito a ottenere risultati riproducibili sulla
precisione temporale. Va inoltre sottolineato che, poiché lo spessore totale di gas
rimane lo stesso (viene soltanto suddiviso tra le varie sotto-intercapedini), l’efficienza
di rivelazione risulta inalterata.
Il modello di MRPC fin qui descritto è stato ottimizzato per costruire un
grande sistema di rivelazione e di identificazione delle particelle cariche nell’ambito
dell’esperimento ALICE che consentirà di studiare il cosiddetto plasma di quark e
gluoni (come anticipato nella Sezione 2.2) nelle collisioni tra nuclei di piombo
accelerati ad energie di miliardi di elettronvolt presso il supercollisore LHC del
CERN.
2.4 – Qual era lo stato della materia qualche decimo di miliardesimo di secondo dopo il Big Bang
Il plasma è lo stato che precede quello della materia a noi familiare.
L’Universo con Stelle e Galassie viene dal plasma di quark e gluoni che esisteva qualche decimo di miliardesimo di secondo dopo il Big Bang. La materia di cui è
fatto questo foglio di carta, noi stessi, gli oceani, le montagne, la Luna, il Sole e la
stragrande maggioranza delle Stelle (eccezion fatta per qualcuna di quelle più
recentemente scoperte e dette Stelle di quark) consta di un tipo di materia ben diverso
dal plasma di quark e gluoni.
2.5 – Così è fatta la materia a noi familiare
La Scienza ha impiegato quattro secoli per scoprire che tutto - pietre,
rondini, fiori, alberi, oceani, Sole, Luna e Stelle inclusi noi stessi - è fatto con appena
tre tipi diversi di particelle: protoni, neutroni ed elettroni. Protoni e neutroni
appartengono alla classe di particelle dette “barioni” (che vuol dire “pesanti”). Gli
elettroni a quella detta dei “leptoni” (che vuol dire leggere). I barioni appaiono come
dotati di una speciale forza che è la famosa “forza nucleare”; i leptoni non sono
portatori di questa forza. Barioni e leptoni sono particelle tipo-mattone e hanno
quindi bisogno di due tipi diversi di “colla” per essere tenuti insieme. Alla “colla”
nucleare appartengono le particelle dette “mesoni”. Per tenere insieme gli elettroni e
le altre particelle cariche ci vuole la “colla” elettromagnetica di cui la luce è un
esempio. Ci sono poi i leptoni privi di carica elettrica e detti per questo motivo “neutrini” il cui ruolo è quello di “raffreddare” quel potente fuoco di fusione nucleare
che agisce nel cuore di ogni Stella e che permette al nostro Sole di brillare - senza
esplodere né spegnersi - per ben dieci miliardi di anni. Una zanzara e un pezzettino di
carta - a parità di peso - sono fatti con lo stesso numero di protoni, neutroni ed
elettroni. Però nessuno sa trasformare il pezzettino di carta in zanzara. Se la Scienza
avesse capito l’origine della vita sapremmo farlo. È stato dato un nome al settore più
avanzato della ricerca scientifica intesa a capire le origini della vita: minimal life (vita
minima). Nel dicembre 2004 si è tenuto a Erice un Simposio nel quale sono stati
passati in rassegna i risultati ottenuti lungo le diverse strade finora seguite.
Una è detta del “top-down” e consiste nel cercare di trovare qual è la
quantità minima di materia inerte in grado di trasformarsi in una “cellula vivente”. La
materia “inerte” usata è però la stessa di quella necessaria ad altre cellule viventi per
esistere come organismi in grado di avere un metabolismo, di riprodursi e di
trasmettere proprietà distinte, anche se al livello minimo.
L’altra strada detta “bottom-up” è molto più difficile. Essa parte infatti da
atomi e molecole totalmente prive di qualsiasi legame con strutture viventi, per
arrivare all’aggregato minimo di materia capace di avere le proprietà che noi
associamo alla “materia” vivente. Questa strada ha una intensa componente di tipo
teorico che fa uso di modelli matematici in cui si fanno interagire numeri enormi di
atomi e molecole nella speranza che vengan fuori sistemi dotati di proprietà diverse
da quelle che si potrebbero derivare dalla semplice sovrapposizione di atomi e
molecole. Un settore in questo sentiero molto intricato è quello che cerca di capire
come nascono le proprietà funzionali che danno luogo alla vita.
È bene precisare che non c’è unanimità nel definire con rigore le condizioni
necessarie per identificare ciò che è vivo e ciò che non lo è. Oltre alle attività
funzionali del metabolismo e della replica, è necessaria una equilibrata indipendenza
dalle condizioni ambientali per evitare errori sulla definizione della vita.
L’indipendenza però non può essere spinta oltre un certo limite. Tra le condizioni
necessarie all’origine della vita c’è l’evoluzione che ha due strutture. Una che si
sviluppa nell’ambito della stessa forma di materia vivente. L’altra che determina
invece il passaggio da una specie vivente a un’altra che si separa poi nettamente dalla
prima. Questo passaggio avviene tramite un processo fisico non capito, cui si dà il
nome di “mutazione genetica”. In essa c’è una scuola di pensiero che indentifica nei
raggi cosmici le origini. Ecco un legame che queste particelle provenienti dalle più
remote zone dell’Universo hanno con la nostra vita. Una volta occorsa la mutazione,
quella struttura di materia vivente ha bisogno di evolvere per potere continuare a
vivere. Il successo più noto in questo settore lo ottenne quindici anni fa Tom Ray
dell’Università di Delaware con un programma chiamato “Tierra” nel quale cercò di
imitare in un computer l’evoluzione darwiniana. Gli organismi del suo sistema erano“programmi” non embrioni né cellule. I programmi competono con altri “programmi”
per accaparrarsi spazio di memoria nel computer. Ray nel suo “programma” non ha
imposto alcun criterio a priori per stabilire le caratteristiche che un “organismo” deve
avere per adattarsi all’ambiente. Gli “organismi” del “brodo primordiale” di Ray si
modificano, si combinano ed evolvono in modo da lasciare quante più copie di se
stessi nella memoria del computer. Il potere dell’evoluzione è stato studiato facendo
uso esclusivo di un “programma” da far girare a lungo in un computer senza usare né
pezzi di materia inerte né pezzi di materia vivente, né raggi cosmici. Sembra quindi
che l’evoluzione di una determinata specie vivente non abbia bisogno di fattori
esterni fondamentali - com’è la radiazione cosmica - per evolvere, anche se la parola
fine è lungi dal potere essere detta in questo settore di frontiera che dovrebbe
permetterci di capire il passaggio dalla materia inerte alla materia vivente. Ecco un
altro esempio di legame tra i raggi cosmici e le frontiere delle nostre conoscenze
concernenti l’origine della vita che in ultima analisi porta a noi, esseri fatti con
barioni e mesoni. I barioni - come detto prima - sono la parte “tipo-mattone” mentre i
mesoni sono la parte “tipo-colla”. La materia di cui siamo fatti ha bisogno di“mattoni” e di “colla” per riuscire a stare insieme. I barioni e i mesoni servono per
fare la materia che si trova nel cuore di ogni atomo. Cuore detto nucleo; e nasce da
questo nome la fisica detta nucleare.
Ci sono voluti più di cinquant’anni per capire che la materia nucleare nasce
dal plasma di quark e gluoni. I mattoni fondamentali della nostra esistenza nucleare
sono quindi i quark. E la colla fondamentale della nostra esistenza nucleare sono i
gluoni. È a partire da questi mattoni e da questa colla che vengono fuori i barioni e i
mesoni di cui è fatta ogni cosa, inclusi noi stessi. La struttura della nostra esistenza
materiale non finisce qui. Noi siamo fatti di atomi e di gruppi di atomi (detti
molecole). Un atomo, oltre alla sua parte centrale, detta nucleo, ha una nuvola
enormemente più grande e leggera. Essa è fatta con elettroni. Queste particelle non
hanno alcun legame con i quark né con i gluoni. Gli elettroni sono mattoni di tipo
totalmente diverso e la loro colla è fatta di “pezzettini di campo elettromagnetico” cui
si dà il nome di fotoni. La luce è fatta di fotoni. Ecco perché si dice che per fare un
atomo ci vogliono anche i mattoni leggeri (gli elettroni, che appartengono alla classe
di mattoni detti leptoni, proprio in quanto leggeri) oltre alla colla elettromagnetica.
Il sapore del sale nasce dalle proprietà elettromagnetiche della materia.
Queste proprietà si manifestano in un volume che è un milione di miliardi di volte più
grande del volume in cui si trova il nucleo dello stesso atomo. Infatti, mentre il
raggio di un atomo è dell’ordine di 10−8 cm (un centesimo di milionesimo di
centimetro), il raggio di un nucleo è centomila volte più piccolo; quindi dell’ordine
di 10−13 cm (un decimo di millesimo di miliardesimo di centimetro).
Questa quantità di lunghezza si chiama “un Fermi”, in onore al grande fisico
italiano che aprì alla Scienza le porte dell’Universo Subnucleare, scoprendo il primo
esempio di barione diverso da quelli di cui siamo fatti noi (protoni e neutroni) e di cui è fatta qualsiasi altra cosa a noi familiare. A questa particella barionica scoperta da
Fermi si dà il nome di “risonanza 3/2, 3/2” e si indica col simbolo Δ++ (il doppio
segno positivo, +, serve a specificare che questa particella ha carica positiva doppia
rispetto a quella elementare del protone).
2.6 – È stato Enrico Fermi ad aprirci gli occhi sull’Universo Subnucleare che possiede una nuova inaspettata proprietà: il confinamento
È stata proprio questa particella barionica Δ++ ad aprirci gli occhi sulla
necessità dell’esistenza di un nuovo tipo di carica, diversa dalla carica elettrica, cui è
stato dato il nome di “carica di colore” subnucleare. Questa carica di colore genera le
forze subnucleari forti, così definite in quanto – alle energie tipiche della nostra vita –
sono le più forti che possano esistere. Queste forze subnucleari forti agiscono tra
quark e gluoni solo a piccolissime distanze. Quando si arriva a qualche Fermi di
distanza l’intensità delle forze subnucleari forti raggiunge il limite estremo.
In gergo noi fisici diciamo che l’intensità diverge, diventando infinita.
Quanto grande possa essere questa intensità nessuno sa calcolarlo ed è un problema
teorico aperto. Ad esso si dà il nome di “confinamento”. Con esso si specifica la
proprietà di quark e gluoni di restare eternamente confinati entro lo spazio di qualche
Fermi.
C’è un modello teorico dovuto a Gerardus ‘t Hooft che spiega il fenomeno
del confinamento. E c’è la prova sperimentale che dimostra la impossibilità di
mandare in frantumi un protone, anche usando le più alte energie che siamo finora
riusciti a realizzare nei nostri laboratori [Ref. 3].
Resta il problema del passaggio dalle forze subnucleari a quelle nucleari.
Fino agli anni settanta si pensava che dovessero essere le forze nucleari da mettere a
confronto con quelle elettromagnetiche grazie alle quali esistono gli atomi e le
molecole. Oggi sappiamo invece che le forze nucleari sono effetti secondari che
nascono dalle forze subnucleari e che sono queste forze da mettere a confronto con le
forze elettromagnetiche.
2.7 – Il vecchio sogno durato un secolo
Il vecchio sogno, durato un secolo, ed elaborato in una struttura matematica
detta Teoria Quantistica e Relativistica dei Campi (Relativistic Quantum Field
Theory, RQFT) avrebbe voluto che tutte le forze fondamentali – eccezione fatta per la
gravitazione universale – dovessero essere descritte usando lo stesso formalismo
matematico che era stato costruito per descrivere le forze elettromagnetiche.
Queste forze hanno bisogno di una sorgente semplicissima, cui i nostri nonni
hanno dato il nome di carica elettrica. Questa struttura matematica è semplice in
quanto di carica elettrica ne basta una e una sola. Purtroppo c’è qualcuno che scrive
su qualche libro di Scuola che le cariche elettriche sono tre: una positiva, l’altra
negativa e la terza neutra. Questo non è esatto.
2.8 – Per generare le forze elettromagnetiche basta una sola carica, detta elettrica
Per generare le forze elettromagnetiche basta una e una sola carica elettrica.
Se la scegliamo positiva, si ottiene quella negativa usando l’operazione detta“coniugazione di carica”, matematicamente descritta dal cosiddetto Operatore-C,
come scoprirono Weyl e Dirac. Ottenuta la carica di segno opposto a quella di partenza, basta sommarle per ottenere carica zero: le forze elettromagnetiche nascono
quindi da una e una sola carica fondamentale.
Nessuno, nel corso di ben sette decenni, dello scorso secolo, era riuscito a
immaginare che potessero esistere forze fondamentali la cui origine dovesse essere
non una, bensì tre cariche. Queste forze sono le già citate subnucleari forti che
agiscono tra quark e gluoni.
2.9 – Un fenomeno che ricorda i colori ma è tutt’altra cosa
Alle tre cariche subnucleari si dà il nome di cariche di colore subnucleare
forte e, più semplicemente: cariche di colore. Motivo: queste tre cariche possono
combinarsi in modo da dar luogo a una carica totale zero.
Questo fenomeno ricorda i colori: mettendoli insieme si ottiene il bianco,
detto anche colore neutro. Il bianco per esistere ha bisogno di tanti colori diversi.
Ecco l’analogia. L’importanza del bianco con i colori subnucleari sta nel fatto che
tutta la realtà a noi facilmente accessibile è fatta di colore subnucleare neutro. Questo
vuol dire che, se vogliamo scoprire i colori subnucleari, dobbiamo entrare nel cuore
dei barioni e dei mesoni. Il plasma di quark e gluoni prima citato ci permetterà di
studiare direttamente l’Universo Subnucleare con i suoi tre colori fondamentali.
È bene precisare che il colore subnucleare è un fenomeno totalmente diverso
dal colore a noi familiare. I colori cui è sensibile la nostra retina sono fenomeni di
natura elettromagnetica e nascono dalla esistenza di quella semplicissima quantità
fisica cui è stato dato il nome di carica elettrica. Se provassimo a spegnerla (nessuno
riuscirebbe a farlo in quanto la Logica del Creato non è alterabile in alcun, pur
minimo, dettaglio) addio colori, sapori, tatto, udito, olfatto e gusto.
2.10 – Come mai riusciamo a stare in piedi
I nostri sensi sono esempi di cosa riesce a fare la carica elettrica, nonostante
la sua straordinaria semplicità. E dobbiamo sempre alla carica elettrica la capacità di
stare in piedi. Muscoli e ossa sono strutture elettromagnetiche. Sono queste strutture
che riescono a vincere l’attrazione gravitazionale che ci tiene legati alla Terra. Se, al
posto della carica elettrica, con un esperimento “gedanken”, immaginassimo di
mettere la carica gravitazionale, il nostro corpo si sgretolerebbe schiacciandosi e noi
non potremmo esistere. Né potrebbero esistere i grattacieli e le montagne.
Le strutture a noi familiari, incluse le Cattedrali e la Pietà di Michelangelo,
possono esistere in quanto la carica elettrica (alle energie tipiche del nostro mondo) è
molto più potente della cosiddetta carica gravitazionale. Noi siamo strutture
elettromagnetiche ed è studiando queste strutture che siamo riusciti a scoprire realtà
totalmente diverse, come ad esempio l’Universo Subnucleare, in cui si manifestano le
forze che nascono non da una bensì da un tripletto di cariche. Il rivelatore MRPC è
uno strumento esclusivamente di tipo elettromagnetico. Ed è con un telescopio di
MRPC che studieremo i raggi cosmici.
2.11 – Il telescopio con MRPC
Il sistema di rivelazione modulare del Progetto EEE, che sarà installato in
ogni Scuola, è un telescopio costituito da tre piani di rivelatori MRPC (Figura 4).
Ogni piano sarà capace di misurare con grande precisione il punto d’impatto della
particella cosmica incidente e il suo tempo di attraversamento.
L’area sensibile di ogni piano è di (1.6 × 0.82) m2. Il sistema di lettura
(readout) dei segnali avviene tramite elettrodi metallici suddivisi in strisce (strip)
longitudinali, ciascuna lunga 1.6 m e larga 34 mm. La precisione nella
determinazione della coordinata trasversale del punto d’impatto sarà dunque di 34
mm, ma potrà anche risultare migliore nel caso in cui due strip vicine diano segnale.
Ogni strip sarà connessa, a ciascuna delle sue estremità, con un sistema elettronico di
lettura e di acquisizione del segnale. La differenza in tempo tra i segnali ai due
estremi di ogni strip produrrà la coordinata longitudinale del punto d’impatto, con
una precisione di circa 1 cm. Gli elettrodi a strip saranno posizionati in
corrispondenza alle due superfici esterne del rivelatore.
Tramite la misura della posizione dei tre punti d’impatto (uno per piano) sarà
quindi possibile ricostruire la traiettoria rettilinea della particella che ha attraversato il
telescopio. Sarà inoltre possibile conoscere il verso di attraversamento della particella
(alto --> basso oppure basso --> alto) grazie alla misura del suo tempo di volo tra un
piano e l’altro.
Ogni rivelatore consisterà in una pila (stack) di lastre di vetro intervallate da
sei strati di gas (gas gap). Un elettrodo centrale suddividerà lo stack in due sottostack
da tre gap ciascuno in maniera tale da poter applicare l’alta tensione
separatamente a ogni sotto-stack. Ciò consentirà di utilizzare una tensione di lavoro
inferiore ai 5000 Volt. Il sistema di alimentazione in tensione dei rivelatori MRPC
sarà gestito tramite calcolatore.
Il gas che flusserà attraverso il rivelatore MRPC potrà essere del Freon
(C2F4H2) puro, non infiammabile e facilmente reperibile poiché comunemente
utilizzato nei dispositivi di refrigerazione (frigoriferi, condizionatori d’aria). Il
telescopio sarà quindi dotato di un opportuno sistema di gas comandato e controllato
tramite calcolatore. Altri tipi di gas e altre soluzioni, per esempio con rivelatori sigillati (senza circolazione di gas) che verrebbero periodicamente riforniti di gas dal
personale tecnico in situ, sono attualmente in esame.
Per la lettura e l’acquisizione dei dati, a ogni telescopio sarà associata una
catena elettronica costituita da: i) un sistema detto di front end, per l’amplificazione
e la discriminazione dei segnali forniti dagli elettrodi di readout dei rivelatori MRPC;
ii) un sistema detto di conversione, per la digitalizzazione delle informazioni
acquisite; iii) un sistema detto di trigger, per la selezione delle particelle. La catena
elettronica sarà connessa con un calcolatore tramite un’opportuna interfaccia. Il
calcolatore sarà posto in rete (Internet).
Il telescopio di ogni
Scuola, collocato all’interno
dell’edificio scolastico, sarà
dunque in grado di acquisire
dati e di trasmetterli via rete
ad un opportuno “centro di
raccolta”. Ogni telescopio
sarà inoltre geograficamente
localizzato e temporalmente
sincronizzato via satellite
tramite un sistema GPS. È
dunque prevista anche
l’installazione di un’apposita
antenna GPS. Così facendo i
telescopi delle varie Scuole
potranno essere messi in
coincidenza in fase di analisi
dei dati, allo scopo di
rivelare eventi cosmici di energie estreme: sciami cosmici di grande apertura
angolare, ognuno dei quali sarebbe costituito da un notevole numero di muoni
simultaneamente rivelati da diversi telescopi situati a grande distanza l’uno dall’altro,
provenienti inoltre da un punto comune nell’alta atmosfera terrestre (il cosiddetto
vertice d’interazione del raggio cosmico primario che ha dato origine allo sciame).
I dati trasmessi da tutti i telescopi nelle varie Scuole saranno raccolti e
archiviati presso il CNAF dell’INFN di Bologna (Sezione 7.4). L’analisi dei dati sarà
effettuata tramite il sistema innovativo di calcolo distribuito GRID, usufruendo
dell’esperienza del CERN e dell’INFN in tale settore.
2.12 – Il tempo di volo delle particelle subnucleari
Come detto prima, lo strumento MRPC è di natura esclusivamente
elettromagnetica e servirà per studiare una realtà esistita (Sezione 2.4) qualche
miliardesimo di secondo dopo il Big Bang. Realtà da cui veniamo e le cui proprietà
sono appena da pochi anni oggetto delle nostre ricerche rigorosamente di stampo
galileiano.
Per venire a capo di queste proprietà c’è bisogno di tante misure. Una di
queste è il “tempo di volo” (Time-Of-Flight, TOF) delle particelle subnucleari. Più
esattamente si misura questa quantità, meglio sarà per capire le proprietà
dell’Universo Subnucleare. Ecco perché ci siamo spinti – come detto nella Sezione
2.2 – fino a 40 picosecondi.
Nel caso dell’esperimento da realizzare con strumenti costruiti e messi a
punto nelle Scuole d’Italia, l’obiettivo scientifico sono i raggi cosmici di energie talmente alte che vengono definite estreme. Gli Estreme Energy Events (EEE) sono
portatori di messaggi cosmici ancora tutti da capire.
Un raggio cosmico di alta energia, prima di arrivare a interagire con un
nucleo della materia di cui è fatta la nostra atmosfera, ha viaggiato nello spazio
cosmico per decine, migliaia, centinaia di migliaia e forse anche, per milioni di anni.
Nonostante il secolo già trascorso in studi e ricerche per venirne a capo, nessuno può
oggi dire di conoscere con certezza l’origine dei raggi cosmici.
2.13 – Gli spettri dei raggi cosmici e il loro legame con il clima
Dei raggi cosmici si sono misurati i cosiddetti spettri [Ref. 4 e Ref. 5], tre dei
quali riprodotti nelle Figure 5, 6 e 7. Teorie recenti legano i flussi (detti anche
intensità) dei raggi cosmici con il clima. La Figura 5 corrisponde a misure effettuate
nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN e mostra il flusso dei muoni
cosmici in funzione della profondità, ossia dello spessore di roccia che i muoni hanno
attraversato prima di raggiungere il laboratorio sotterraneo dove vengono rivelati.
Tanto maggiore è tale spessore, tanto maggiore è l’energia del muone. La Figura 6
mette insieme analoghe misure ottenute anche in altri laboratori sotterranei. La Figura
7 riassume tutti i dati sperimentali finora ottenuti sul flusso dei raggi cosmici primari
in funzione dell’energia. Tutti questri spettri ci dicono in sostanza quante particelle
cosmiche incidono qui da noi sulla Terra al variare della loro energia. Più alta essa è
meno ce ne sono.
Secondo una serie di studi molto recenti i raggi cosmici dovrebbero variare
in funzione del campo magnetico solare che agisce da schermo. Si tratta di variazioni
su lunghissimi periodi di tempo (milioni di anni). Sono variazioni che si possono
misurare studiando residui fossili nei fondali marini. Sembra che venga fuori una
correlazione tra periodi di glaciazione e ingresso della Terra in zone dove aumenta il
flusso di raggi cosmici. Più raggi cosmici incidono nell’atmosfera, più nuvole
vengono prodotte. Ecco come nasce il legame tra flussi di raggi cosmici e clima.
C’è poi un altro effetto scoperto in tempi recentissimi, studiando un certo
tipo di isotopo nucleare prodotto dai raggi cosmici. Questi studi permettono di rifare
la storia di come sono variate le frequenze delle macchie solari ben prima del periodo
in cui esse cominciarono a essere osservate e contate (XVII secolo, grazie a Galilei).
L’aumento delle macchie solari corrisponde a un aumento dell’energia
emessa dalla nostra Stella incluse le sue attività magnetiche. Queste attività
intensificano il campo magnetico protettivo che il Sole esercita sulla Terra;
conseguentemente diminuiscono i raggi cosmici. E diminuisce così anche il tipo di
isotopo nucleare prodotto nell’atmosfera dagli stessi raggi cosmici. La conclusione è
che negli ultimi cinquant’anni l’attività delle macchie solari ha toccato valori record
che non erano mai esistiti nel corso dei precedenti mille anni.
Come detto più volte prima, le macchie solari dovrebbero avere effetti sul
clima. Se ce ne sono mediamente meno di settantacinque, sulla Terra fa freddo. Se il
loro numero è vicino a duecento si avrà clima tendente al caldo.
2.14 – Quale posto occupano i raggi cosmici nella storia del mondo dal Big Bang, alle Galassie, alle Stelle, al Supermondo
2.14.1 – Si parte dal “punto”
È nel quadro inteso a conoscere le origini di ciò che accade nello spazio che
rientra il Progetto EEE. Come detto già, l’obiettivo è lo studio degli eventi cosmici di
energia estrema. Lo strumento MRPC che sarà costruito in ciascuna Scuola deve
quindi avere le proprietà giuste per garantire la precisione con la quale misurare i
tempi di volo delle particelle cosmiche e le loro traiettorie. I tempi di volo
permetteranno di distinguere i raggi cosmici che verranno dall’alto verso il basso dai
raggi cosmici che verranno dall’altro lato della sfera terrestre (Figura 8).
Le traiettorie serviranno per stabilire il “punto” in cui si è verificata nell’atmosfera l’interazione che ha prodotto la serie di eventi registrati nei rivelatori delle nostre Scuole. Questo “punto” è l’ultima impronta spazio-temporale lasciata da quella particella cosmica della quale vorremmo scoprire le origini. L’origine dei raggi cosmici non ha alcun legame con i movimenti della Terra che sono tre e che non vanno confusi tra di loro. Il terzo movimento ha un ruolo essenziale nel disaccoppiare le date del calendario dalle posizioni delle costellazioni (inesistenti) e dei segni zodiacali (anch’essi inesistenti). È forse bene mettere a fuoco i tre movimenti della Terra al fine di porre nel giusto contesto cosmico questa navicella spaziale di cui abbiamo il privilegio di essere passeggeri.
2.14.2 – I tre movimenti della Terra
Il primo movimento
Il primo è quello che produce il giorno e la notte. È una rotazione a trottola
che dura 24 ore circa producendo luce (giorno) e buio (notte) in quantità diverse
eccetto che nell’equinozio di primavera (21 marzo) e nell’equinozio di autunno (23
settembre). Il giorno più lungo è nel solstizio d’estate (21 giugno); la notte più lunga è nel solstizio d’inverno (22 dicembre). Il motivo per cui ci sono quantità diverse di
luce (giorno) e di buio (notte) nel corso dell’anno è dovuto al fatto che la Terra, oltre
a girare a trottola, si muove lungo un’orbita che nel suo interno ha la sorgente di luce
che produce il giorno. Se questa sorgente di luce non fosse all’interno dell’orbita il
discorso fatto prima sui solstizi e sugli equinozi non sarebbe più valido. Il legame tra
il primo movimento della Terra (a trottola) e il secondo movimento attorno al Sole
nasce dal fatto che i due movimenti appartengono allo stesso oggetto che si muove e
che è la nostra Terra.
Il primo movimento, essendo a trottola, fa nascere l’esigenza di un’asse:
quello della trottola. La Terra è di forma sferica e questa sfera è dotata di un
movimento rotatorio attorno a un asse che passa per il centro della stessa sfera, come
illustrato nella Figura 9.
L’asse della trottola
Se questo asse fosse immobile non esisterebbe il terzo movimento della
Terra, che è lentissimo ma non zero: impiega 25.620 anni per fare un giro completo,
vedremo fra poco come.
La rotazione dovuta al terzo movimento della Terra è seimila
settecentosettantotto volte più lenta della oscillazione (di natura non fisica ma geometrica) che l’asse terrestre ha rispetto alla sorgente di luce che ci illumina e
riscalda, il Sole.
Più esattamente questa oscillazione (geometrica, non fisica) avviene rispetto
alla direzione della linea retta che congiunge il centro del Sole con il centro della
Terra, come illustrato nella Figura 10.
Questa oscillazione geometrica produce le stagioni e nasce in quanto la
Terra è dotata di un movimento orbitale attorno a un punto che si trova nell’interno
della stessa orbita. Questo movimento orbitale è un moto fisico effettivo di cui è
dotata la Terra.
Questo è pertanto il secondo movimento effettivo che possiede la Terra.
Il secondo movimento della Terra è quello che la fa girare attorno al Sole ed è
associato alla esistenza delle stagioni. È però bene precisare che questo stesso
movimento non produrrebbe le quattro stagioni se l’asse terrestre (quello della
trottola del primo movimento) fosse perpendicolare al piano dell’orbita. Al piano
cioè sul quale si trova la traiettoria orbitale che la Terra percorre nel girare attorno al
Sole.
Se questo angolo coincidesse con la perpendicolare al piano dell’orbita, non
potrebbero esistere le stagioni.
È la deviazione dalla perpendicolare che determina le differenze tra le
stagioni. Più l’asse terrestre si scosta dalla perpendicolare, più forti saranno le
differenze tra estate e inverno.
Attualmente questa deviazione è di 23 gradi e mezzo. Fu Euclide a capire
cosa accade quando una trottola di forma sferica si muove lungo un’orbita che può
essere un cerchio perfetto o deformato com’è un ellissi, ma che ha nel suo interno un
punto che illumina la stessa sfera.
Se l’asse della trottola non è perpendicolare al piano dell’orbita e il punto si
trova nella parte interna del percorso – com’è il caso del cerchio o dell’ellisse – allora
entra in gioco l’angolo di inclinazione tra l’asse della trottola e la retta che congiunge
il punto e il centro della trottola sferica.
Questo angolo è di grande importanza per la trottola se quel punto è sorgente
di luce - come accade nel caso del Sole.
Euclide capì che l’angolo di inclinazione cambia continuamente, mentre la
trottola si muove lungo il percorso circolare o ellittico.
Nel caso della Terra il 21 giugno l’asse risulta al massimo della sua
inclinazione verso il Sole. Il 22 dicembre l’inclinazione è nella direzione opposta al
Sole.
Come insegna Euclide queste due inclinazioni estreme non sono prodotte da
un movimento “fisico” dell’asse terrestre. L’asse resta “quasi” completamente fisso
nello spazio cosmico. Le due inclinazioni estreme sono dovute alle posizioni
geometriche diverse che la trottola sferica si trova ad avere nel suo girare attorno al
Sole.
Nella Figura 11 il piano dell’orbita terrestre è perpendicolare al piano del
foglio. Per semplicità possiamo immaginare l’asse terrestre perfettamente fisso,
immobile, nello spazio cosmico come se la sua deviazione dalla perpendicolare al
piano dell’orbita non cambiasse mai.
Pur essendo (per ipotesi) fissa nello spazio cosmico, la direzione dell’asse
terrestre, rispetto alla retta che congiunge i due centri (del Sole e della Terra), cambia
per via del movimento orbitale attorno al Sole. Nascono così le due inclinazioni
mostrate nella Figura 11, nei due punti corrispondenti al 21 giugno e al 22 dicembre.
Adesso introduciamo il terzo movimento.
Il terzo movimento della Terra
Questo terzo movimento si riferisce all’asse terrestre ed è talmente lento da
giustificare il “quasi” immobile prima citato. Abbiamo visto nel discutere il secondo
movimento della Terra quanto fosse importante la deviazione dell’asse terrestre dalla
direzione della perpendicolare al piano dell’orbita.
Se non fosse per questa deviazione (che è di 23 gradi e mezzo) non
potrebbero esistere le stagioni in quanto non potrebbero esserci né l’inclinazione
massima (21 giugno) verso il Sole, né l’inclinazione (22 dicembre) in direzione
opposta al Sole illustrate nella Figura 11.
Ed ecco cosa accade a causa del terzo movimento. Queste due inclinazioni
avvengono in posizioni diverse dell’orbita; anno dopo anno cambiano i punti
dell’orbita nei quali le due inclinazioni sono massime e minime.
Il terzo movimento fa infatti ruotare l’asse terrestre attorno alla
perpendicolare al piano dell’orbita in modo estremamente lento. L’asse terrestre
impiega venticinquemila seicentoventi anni per fare un giro attorno alla
perpendicolare citata.
Attenzione: la deviazione resta esattamente la stessa: 23,5 gradi. L’asse gira
descrivendo la superficie di un cono che ha il vertice nel centro della Terra con una
apertura di ventitre gradi e mezzo, come illustrato nella Figura 12.
Mettendo a confronto la rotazione di 360 gradi che l’asse terrestre compie in
25 mila 620 anni, illustrata nella Figura 12, con l’oscillazione geometrica scoperta da
Euclide, che corrisponde a 2 × (23,5)° = 47 gradi in 6 mesi (dal 21 giugno al 22
dicembre), viene fuori il fattore 6 mila 778 volte prima citato.
Nonostante sia piccolissimo, questo terzo movimento della Terra
disaccoppia le date del calendario dai segni zodiacali con i risultati illustrati nella
Tavola 1.
Come vedremo nella Sezione seguente (2.14.3) i segni zodiacali non
corrispondono ad alcun tipo di realtà cosmica: non esistono.
Chi volesse insistere nel prestar fede a coloro che dicono di conoscere
meglio i segreti dei cieli (i cosiddetti CDO: compilatori di oroscopi [Ref. 6])
dovrebbe fare almeno lo sforzo di aprire le finestre all’alba del suo giorno di
compleanno, per dare uno sguardo alle Stelle che fanno il suo “segno zodiacale”.
Scoprirebbe che il suo “segno” è sbagliato. E se ripetesse queste osservazioni lungo
tutti i giorni dell’anno scoprirebbe quanto riportato nella Tavola 1.
Anzitutto che i “segni zodiacali” sono 13 e non c’è motivo di ignorare
l’esistenza del tredicesimo (Ofiuco). Eppoi che le date di attraversamento del Sole sui
vari segni sono quelli della colonna “Il Vero” mentre i CDO lavorano con la colonna “Il Falso”.
Il terzo movimento della Terra nel giro di 2˙200 anni fa cambiare “segno” a
chi nasce nello stesso giorno di calendario.
2.14.3 – Tutto nel Cosmo si muove: non esistono né costellazioni né segni
zodiacali
Questi tre movimenti sono tutti di rotazione: uno a trottola, l’altro attorno al
Sole e il terzo attorno alla perpendicolare del piano orbitale. Ci sono però ben altri
movimenti molto più importanti. Quando volgiamo lo sguardo verso il Cosmo è come
se noi fossimo appiccicati al Sole che ci trascina nel suo viaggo attorno al centro della
Galassia alla velocità di un milione centocinquantadue mila chilometri orari. La
Galassia trascina il Sole (quindi anche noi) attraverso il Cosmo alla velocità di tre
milioni e settantadue mila chilometri orari. Nulla sta fermo nel Cosmo. Senza
accorgercene noi siamo dotati di tutte queste velocità.
Velocità che i nostri antenati non conoscevano quando inventarono le
costellazioni, i segni zodiacali e gli oroscopi, pensando anche che di anno in anno ci
si trovasse sempre allo stesso posto. E invece no. Le velocità sopra citate portano
alla conclusione che non esistono gruppi di Stelle dotate di particolari caratteristiche.
Non esistono quindi né le costellazioni né i segni zodiacali né tutte quelle
proprietà che i nostri antenati attribuivano ai cieli e alle Stelle quando nessuno aveva
ancora capito che questi oggetti celesti, che ci affascinano con la loro luce, brillano
più di neutrini che di fotoni (quanti di luce). Le velocità descritte ci dicono che, dopo
un anno, siamo a venti miliardi di chilometri di distanza dalla zona di spazio cosmico
in cui ci si trovava l’anno precedente [Ref. 7].
L’idea che nella volta celeste dovessero esistere gruppi di Stelle legate
insieme per formare le costellazioni e che alcune di esse – quelle nella “fascia
zodiacale” – avessero influssi particolari su ciò che accade sulla Terra, quest’idea
dell’esistenza dei segni zodiacali è nata e si è sviluppata quando i nostri antenati non
conoscevano alcuno dei movimenti di cui noi siamo dotati. L’idea della volta celeste
con le Stelle fisse che gira attorno a noi è basata sulla Terra ferma al centro del
mondo e noi bloccati con essa.
La verità è ben diversa. Come abbiamo visto ci muoviamo girando sulla
trottola-Terra a velocità supersoniche. Velocità queste che diminuiscono man mano
che ci si avvicina ai Poli (Nord e Sud). All’equatore la velocità di rotazione è di 1˙670
chilometri l’ora. Alla latitudine di Roma è leggermente inferiore: 1˙340 chilometri
orari. Solo se ci trovassimo esattamente su uno dei due Poli, Nord o Sud, questa
velocità sarebbe zero. La Terra abbiamo visto che viaggia attorno al Sole alla velocità
di centottomila chilometri orari.
Questi movimenti fanno parte della nostra esistenza dinamica nel Cosmo di
cui i raggi di Energia Estrema sono una componente di straordinario valore.
2.14.4 – L’evoluzione del Cosmo dal Big Bang al Supermondo
È bene passare in breve rassegna il posto che occupa il fenomeno cosmico
oggetto degli studi col Progetto EEE nella sintesi che illustra l’evoluzione del mondo
dal Big Bang a oggi.
Questa sintesi è riportata nella Figura 13. Sull’asse orizzontale c’è la
quantità fisica detta energia. Perché l’energia? Risposta: è la quantità fisica più
semplice e importante per descrivere i fenomeni fondamentali.
Se volessimo scoprire chi è il più ricco uomo del mondo, il parametro giusto
sarebbe la quantità di soldi che possiede. Volendo capire se è possibile che tutta la
realtà che ci circonda e nella quale viviamo nasca da un’origine comune è il livello
massimo d’energia (non la quantità di soldi posseduta da un individuo) che ci
permetterà di trovare la strada giusta.
Ed ecco il primo risultato.
Lo stato dell’Universo in cui noi ci troviamo è a livello minimo d’energia
(rettangolo denominato UNIVERSE NOW nella Figura 13); subito sopra viene il livello
energetico tipico del fenomeno della vita (rettangolo LIFE).
L’unità da noi scelta è il GeV che corrisponde a un miliardo di elettron-Volt.
L’elettron-Volt è la quantità di energia che acquista un elettrone se sottoposto alla
differenza di potenziale di un Volt.
Dicevamo che l’energia è il parametro fondamentale che permette di
classificare tutti i fenomeni oggetto di studio rigoroso. Esempio: il fuoco di una
candela è un fenomeno elettromagnetico che è caratterizzato da un livello d’energia
pari a un elettron-Volt, quindi nell’unità scelta, il GeV, siamo al miliardesimo di GeV
(rettangolo denominato FIRE EM).
Il fuoco del Sole e delle Stelle è di natura nucleare e si trova al millesimo di
GeV (rettangolo denominato SUN-NUCLEAR FIRE), quindi un milione di volte più in
alto del fuoco delle nostre candele.
Più in alto in energia nella Figura 13 c’è l’intervallo che, iniziando al livello
energetico di 10−9 GeV, arriva al centinaio di GeV e rappresenta tutto ciò che da
Galilei a oggi si è potuto capire sui fenomeni fondamentali del Creato. Questo livello
energetico delle centinaia di GeV è indicato con una linea verticale tratteggiata che
termina in basso con la scritta mZ.
I tre punti nel grafico sulla linea tratteggiata sono i risultati sperimentali
ottenuti usando la macchina del CERN (denominata LEP) in cui elettroni e
antielettroni di altissima energia interagiscono producendo fenomeni estremamente
interessanti per capire le proprietà dell’Universo Subnucleare.
Il livello energetico del Progetto EEE si trova nel rettangolo denominato
COSMIC RAYS (raggi cosmici) e corrisponde anche all’energia della macchina
subnucleare (ELOISATRON-ELN) la cui circonferenza è di trecento chilometri e il cui
progetto teorico è stato elaborato nell’ambito di una collaborazione internazionale che
fa riferimento alla WFS (World Federation of Scientists).
Nel limite estremo di osservabilità sperimentale c’è la freccia relativa al
GRAN SASSO: qui la logica cambia totalmente. Non sono più le nostre macchine ad
operare per produrre fenomeni ai livelli d’energia tipici della scala di Planck (1019
GeV), ma l’Universo e la materia stessa di cui siamo fatti.
Gli esperimenti sulla stabilità della materia permettono infatti di legare le
osservabili sperimentali alla Logica che regge il mondo quando le energie in gioco
sono quelle vicine alla scala energetica detta di Planck.
Fu il grande Planck a scoprire il livello d’energia che porta il suo nome. A
questo traguardo Planck arrivò riflettendo sul significato delle tre costanti
fondamentali della Natura: la velocità della luce, la costante di Planck e la costante di
Newton. Per le costanti fondamentali della Natura è come se il tempo non esistesse: il
loro valore non cambia mai. L’energia di Planck (EPlanck) nasce come livello energetico in cui i valori delle tre costanti diventa unitario. Partendo da questa ipotesi
Planck derivò le unità di Tempo, Lunghezza ed Energia.
Ed è a questi livelli che le forze fondamentali si unificano, come mostrato
nella Figura 13 dalle tre rette. Ciascuna di queste rette è la sintesi di tutti i fenomeni
che nascono da una forza fondamentale. Quella più in alto, indicata con (1/α1),
riguarda i fenomeni elettromagnetici (come lo sono radio, TV, sapori, colori, ecc.);
quella indicata con (1/α2) riguarda i fenomeni generati dalle forze di Fermi (che sono
la valvola di sicurezza grazie alla quale il Sole e le Stelle possono funzionare come
regolarissime candele a fusione nucleare); la retta indicata con (1/α3) descrive i
fenomeni in gioco nel cuore dei nostri protoni e neutroni e, più generalmente, nelle
interazioni tra quark e gluoni.
Che le tre rette convergano è una delle più formidabili conquiste della fisica
galileiana moderna. Le tre rette infatti sono il risultato della soluzione delle cosiddette“equazioni del gruppo di rinormalizzazione”, un modo per dire: la descrizione
matematica più rigorosa che si sappia fare di tutti i fenomeni fisici noti e di quelli che
noi pensiamo dovrebbero essere scoperti nei prossimi decenni. Infatti nella parte
intermedia della Figura 13 c’è un intervallo indicato con la scritta “What Galilean
Science should discover” (ciò che la Scienza Galileiana dovrebbe scoprire). Le tre
rette sono il risultato ottenuto includendo nella descrizione teorica di tutti i fenomeni
fisici reali e virtuali inclusa l’esistenza del Supermondo. Senza questa ipotesi le tre
rette non convergerebbero verso lo stesso punto [Ref. 8]. Ecco perché noi pensiamo
che il Supermondo deve esistere [Ref. 9]. Una sintesi dei motivi per cui dovrebbe
corrispondere a realtà l’ipotesi del Supermondo è riportata nella Figura 14.
C’è un altro punto interessante da mettere in evidenza. Il livello energetico
EGUT non coincide con il livello energetico ESU. Questa “non coincidenza” si
definisce “gap” [Ref. 10]. Se esiste effettivamente questo “gap” e quali sono le sue
conseguenze saranno i giovani d’oggi a farcelo capire. Un esempio. Il passaggio da
ESU a EGUT potrebbe dar luogo alla formazione di buchi neri primordiali che
potrebbero agire da “semi” per la formazione delle Galassie. Se potessimo studiare di
cos’è fatta la materia dei buchi neri he ci sono nel cuore di ogni Galassia la risposta
sarebbe immediata. Una cosa è certa. Nessuno ha capito come si formano questi
agglomerati di materia cui diamo il nome di Galassie. E nessuno aveva saputo
prevedere che al centro di ogni Galassia dovesse esserci una buco nero la cui massa
va dall’uno per mille a qualche per cento della massa totale di una Galassia. Lo studio
delle Galassie “senza Stelle” ci permetterà di capire meglio fino a che punto questi
fenomeni cosmici sono legati alla Fisica delle Energie Estreme di cui i raggi cosmici
che noi vogliamo studiare sono l’indice esistenziale di maggior valore. Noi non
sappiamo prevedere il livello della frequenza al quale questi fenomeni dovrebbero
manifestarsi. Le sole certezze sono i due livelli d’Energia EGUT ed ESU sui quali è
bene fare qualche precisazione.
Il livello EGUT (GUT significa: Grand Unification Theory) è il livello di
energia al quale convergono le tre rette nella Figura 13. Rette – come già detto – che
corrispondono alla analisi teorica di tutti i fenomeni fisici noti, inclusa l’ipotesi della
esistenza del Supermondo, partendo dai tre punti sperimentali indicati con cerchi
pieni e corrispondenti al livello energetico mZ. Una cosa è certa: il livello EGUT
deriva da una rigorosa estrapolazione dei risultati sperimentali.
Il livello ESU (SU significa: String Unification) è invece basato su strumenti
teorici nati dalla esigenza di abbandonare la struttura matematica puntiforme a favore
della struttura matematica in cui, al posto del “punto”, si mette la “cordicella”. A
questa struttura si dà il nome di “teoria delle stringhe” (dal nome inglese string, che
vuol dire cordicella).
Il livello ESU non è derivato da risultati sperimentali. L’unico dato di
partenza è il livello energetico di Planck. Che questi due livelli energetici, EGUT e
ESU, siano non perfettamente coincidenti potrebbe essere indice di inaspettate novità.
Novità che dovranno emergere dallo studio di stampo galileiano su com’è fatto il
mondo. Studio in cui - come abbiamo appena accennato - entrano i raggi cosmici,
quindi il Progetto EEE. L’interesse del Progetto EEE è messo ancora più in risalto se
si legge la parte alta della Figura 13. In essa il punto estremo a destra è l’istante del
Big Bang. Andando verso sinistra si passa per la zona COSMIC RAYS che si trova tra il
Big Bang e il LEP (mZ).
L’Universo oggi è all’estrema sinistra e ad esso si arriva passando per la
zona denominata STARS-GALAXIES. La freccia che precede il punto NOW (e cioè oggi)
si trova a centomila anni dopo il Big Bang. È questo il punto più vicino che sia
possibile studiare con strumenti astrofisici in quanto è in questa zona che inizia la
separazione tra protoni, elettroni e fotoni, che fino a quel momento erano in uno stato
di miscela detto “plasma”; era questo plasma cosmico lo stato dell’Universo qualche
centinaio di migliaia di anni dopo il Big Bang; per essere più precisi è bene dire che,
stime recenti spingono questa zona sui trecentomila anni dal Big Bang.
Comunque, per avvicinarsi al Big Bang c’è bisogno delle nostre macchine e
dei nostri strumenti. Strumenti di cui il nostro rivelatore MRPC è l’esempio più
avanzato per misurare con alta precisione tempi di volo e traiettorie di particelle
cosmiche subnucleari. L’ipotesi del Supermondo è necessaria per spiegare fenomeni
noti che non trovano una corretta formulazione nell’ambito delle strutture teoriche
elaborate senza introdurre le proprietà del Supermondo.
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