La matematica, in qualche modo, può essere paragonata alla letteratura. Ha le sue definizioni e le sue regole grammaticali – sebbene, sfortunatamente, queste siano la rovina per le vite di molti studenti. Ed è un vero peccato, perché quando il linguaggio matematico è usato con eleganza e chiarezza, può aiutare il lettore a vedere le cose secondo delle prospettive completamente nuove. Si considerino per esempio le analogie. In letteratura le analogie hanno un potere enorme – chi non rimane emozionato di fronte a una metafora ben mirata? Anche nel campo della fisica matematica le analogie svolgono un ruolo fondamentale.

La costruzione di analogie fisiche è un processo fondamentale della fisica, perché aiuta i fisici a immaginare nuovi fenomeni. Si utilizza ancora l’espressione “fluido” di una “corrente” elettrica, utilizzando la metafora del liquido coniata dai fisici ancora prima della scoperta degli elettroni. Così come, il vecchio concetto dell’”etere” – un ipotetico mezzo di trasmissione della luce simile all’acqua o all’aria – ormai è da tanto tempo superato. Le analogie fisiche possono essere molto creative e utili, ma qualche volta possono anche condurre fuori strada.

Lo stesso discorso vale per le analogie matematiche applicate alla realtà fisica e per l’interazione tra le analogie matematiche e quelle fisiche. Un’analogia che ha incuriosito matematici e fisici per un secolo, e che rimane ancora un argomento di discussione, è quella tra le equazioni della gravità di Einstein e le equazioni dell’elettromagnetismo di Maxwell. L’interazione tra questi due sistemi di equazioni ha portato a un nuovo campo di ricerca – il gravito-elettromagnetismo – e, di conseguenza, alla previsione di una nuova forza, gravito-magnetica.

L’idea di mettere in relazione la gravità e l’elettromagnetismo – due tipologie di fenomeni completamente diversi – ha avuto origine dall’analogia matematica tra le equazioni della gravità di Newton e le leggi dell’elettrostatica di Coulomb. In entrambe le equazioni vie è una dipendenza dall’inverso del quadrato di una distanza.

Nel 1913, Einstein iniziò a maturare un’idea più complessa, relativa alla possibile analogia tra la gravitazione relativistica e l’induzione elettromagnetica – un’idea che fu successivamente sviluppata da Josef Lense e Hans Thirring nel 1918. Per elaborare i loro calcoli i due scienziati utilizzarono la forma finale della teoria della relatività generale di Einstein, che era stata pubblicata nel 1916.

Oggi, il cosiddetto gravito-elettromagnetismo, o GEM, viene studiato, da un punto di vista matematico, attraverso l’approssimazione di campo debole alle equazioni della relatività generale; si tratta di una forma più semplice delle equazioni che sembra funzionare bene nei campi deboli, come quello terrestre.

Si è scoperto che la matematica dei campi deboli include delle quantità che soddisfano equazioni che assomigliano tanto alle equazioni di Maxwell. La componente gravito-elettrica può essere benissimo identificata con la forza di attrazione gravitazionale di Newton che ci tiene ancorati a terra. La componente gravito-magnetica, invece, sembra essere qualcosa di ancora sconosciuto – una nuova forza apparentemente dovuta alla rotazione della terra (o di qualunque altra massa di grandi dimensioni).

Questa situazione è analoga a quella in cui un elettrone, ruotando su se stesso, genera un campo magnetico per effetto della induzione magnetica, eccetto che da un punto di vista matematico.

Un oggetto di grandi dimensioni che ruota su se stesso induce un trascinamento dello stesso spazio-tempo – come se lo spazio-tempo si comportasse come un fluido che viene trascinato attorno a una palla in rotazione (il primo a individuare questo trascinamento è stato Einstein, come conseguenza della relatività generale elaborata da Lense e Thirring).

Ma fino a che punto è possibile spingersi con queste analogie matematiche? Può considerarsi reale la gravito-induzione magnetica?

Se così fosse, dovrebbe apparire come una piccola oscillazione nell’orbita dei satelliti, e – grazie anche all’effetto geodetico, la curvatura dello spazio-tempo dovuta alla presenza della materia – come una variazione nella direzione dell’asse di un giroscopio orbitante (Quest’ultima situazione è assimilabile al modo in cui un campo magnetico generato da una corrente elettrica modifica l’orientamento di un dipolo magnetico).

Quindi, dopo un secolo di speculazioni, ecco che le risposte stanno venendo a galla. I risultati che provengono da diverse, e indipendenti, missioni satellitari – fra tutte ricordiamo il Gravity Probe B, LAGEOS, LARES, GRACE – hanno confermato gli effetti della geodetica terrestre e del trascinamento con vari gradi di precisione. Per quanto riguarda il trascinamento, la migliore compatibilità con la teoria della relatività generale è stata dello 0,2% con un’accuratezza del 5%, ma gli astronomi si aspettano che il satellite LARES 2, lanciato lo scorso anno, fornisca dei dati con un’accuratezza dello 0,2%.

Con risultati più accurati è possibile effettuare dei test più precisi sulla relatività generale, ma gli astrofisici hanno già fatto proprio il gravito-magnetismo. Per esempio, esso suggerisce un meccanismo per spiegare i misteriosi getti di gas che sono stati osservati fuoriuscire dalle stelle quasar e dai nuclei galattici attivi. Buchi neri ruotanti di grandi dimensioni, nel cuore di queste centrali elettriche cosmiche, produrrebbero enormi effetti sia di trascinamento che geodetici. Il risultante campo gravito-magnetico, analogo al campo magnetico che circonda i due poli di un magnete, spiegherebbe l’allineamento di questi getti con l’asse di rotazione nord-sud della sorgente.

Fare delle analogie è comunque complicato, e ci sono alcune anomalie interpretative che devono essere svelate. Per fare un esempio, rimangono in sospeso delle domande sul significato di termini simili come densità di energia e densità di corrente di energia gravitazionali. Le cose forse sono ancora più problematiche – o più interessanti – da un punto di vista matematico.

Per esempio, vi è un’altra analogia puramente matematica tra le equazioni di Einstein e quelle di Maxwell, che dà origine a un’analogia molto diversa dalle equazioni del gravito-elettromagnetismo.

L’esistenza di due (o anche più di due) analogie matematiche così differenti tra le equazioni di questi due fenomeni fisici porta fortemente a pensare all’esistenza di una connessione più profonda. A oggi, comunque, vi sono delle apparenti inconsistenze fisiche tra le componenti elettrica e magnetica in ogni approccio matematico.

Inoltre, le analogie formali aiutano i matematici a trovare, in maniera intuitiva, delle strade semplici per ragionare sulle equazioni della relatività generale. E vi è sempre l’allettante possibilità che questo approccio si dimostrerà fisicamente consistente come la previsione del gravito-magnetismo.

Fonte: Cosmos

Il Large Hadron Collider ha “dato vita” a un aggregato di quattro particelle ultra-pesanti, chiamate top quark.

Il large Hadron Collider (LHC) o “Grande Collisore di Adroni” è il più grande acceleratore di particelle del mondo, situato presso il CERN di Ginevra in Svizzera, viene utilizzato per ricerche sperimentali nel campo della fisica delle particelle.

Il LHC sviluppa una energia di circa 14 teraelettronvolt, è stato realizzato all’interno di un tunnel sotterraneo alla profondità di 100 metri e ha una circonferenza di circa 27 km. Si trova nello stesso tunnel realizzato in precedenza per l’acceleratore LEP.

La macchina accelera due fasci che circolano in direzioni opposte, all’interno di tubi a vuoto. I fasci collidono in quattro punti lungo il percorso, dove il tunnel si allarga per lasciare spazio a grandi caverne che ospitano i rivelatori. I quattro principali rivelatori di particelle sono ATLAS, di forma toroidale, il Solenoide compatto per muoni, LHCb, e ALICE, un collisore di ioni.

I rivelatori utilizzano tecnologie diverse e operano intorno al punto in cui i fasci entrano in collisione. Nelle collisioni vengono prodotte un grande numero di particelle, le cui proprietà vengono misurate dai rivelatori e inviate al centro di calcolo. Tra gli scopi principali degli studi vi è la ricerca di tracce dell’esistenza di nuove particelle che potrebbero essere il segno di una nuova fisica.

Proprio l’insieme di particelle ultra-pesanti scoperte da LHC è stata a lungo predetta dal Modello Standard, la teoria fisica che descrive tre delle quattro interazioni fondamentali note: le interazioni forte, elettromagnetica e debole (le ultime due unificate nell’interazione elettro-debole) e tutte le particelle elementari ad esse collegate.

Tuttavia le nuove teorie della fisica suggeriscono che le particelle elementari potrebbero essere create molto più spesso di quanto previsto dal Modello standard. Il primo passo per testare nuove teorie è quello di trovare molti altri quartetti di quark top. I risultati sono stati annunciati alla conferenza LHCP 2020.

I primi quark top sono stati creati in numero enorme durante i primi istanti dopo il Big Bang, hanno una vita molto breve, pari a circa un trilionesimo di trilionesimo di secondo.

Secondo uno studio pubblicato nel 2019 sulla rivista Physical Review D i quark top sono i più pesanti conosciuti tra le particelle subatomiche fondamentali. Il quark top scoperto nel 1995 dagli esperimenti CDF e DØ al laboratorio Fermilab Tevatron a Chicago, negli USA è grosso modo pesante quanto un atomo d’oro. Tuttavia, ogni quark top è molto più piccolo di un protone, il che significa che non solo i quark top detengono il record per le particelle più pesanti, ma sono anche la forma di materia più densa conosciuta. All’epoca venivano prodotte poche rare coppie di particelle.

Oggi i quark top possono essere prodotti e osservati negli acceleratori di particelle come LHC che grazie a una maggiore energia e al più alto tasso di collisione rispetto al Tevatron del Fermilab crea coppie di quark top circa una volta al secondo.

Nei recenti esperimenti, i ricercatori stavano cercando la produzione simultanea di due serie di coppie di quark / antiquark top. Secondo il team ATLAS il modello standard prevede che queste collisioni più complesse dovrebbero verificarsi circa 70.000 volte meno frequentemente delle collisioni che creano una singola coppia. Quando si cercano nuove particelle, è importante sapere quanto è probabile che il numero di collisioni osservato si sia verificato per caso, che può essere quantificato dal “sigma” di un risultato.

Nella fisica delle particelle, il gold standard per dichiarare una scoperta è un sigma di 5 o superiore, il che significa che c’è circa 1 su 3,5 milioni di probabilità che l’osservazione attuale si sia verificata a causa di fluttuazioni casuali. Un sigma di 3 significa che il segnale osservato dovrebbe accadere per caso in 1 su 740 esperimenti, ed è considerato “prova” di un’osservazione, secondo Fermilab. Le prove per la produzione di quartetti di top-quark non sono ancora abbastanza forti da rivendicare una nuova scoperta.

I fisici hanno cercato i quartetti di quark top nei dati raccolti da ATLAS e CMS tra il 2015 e il 2018. Il team dell’esperimento ATLAS ha annunciato di aver osservato la produzione di quattro quark top con un sigma di 4.3. Nel frattempo, in un articolo pubblicato sull’European Physical Journal C, i ricercatori dell’esperimento CMS hanno riportato un sigma osservato di soli 2,6 per i loro quartetto di quark top. Prima di condurre l’esperimento, sia ATLAS che CMS si aspettavano un sigma di circa 2,6 sigma.

L’alto sigma visto da ATLAS potrebbe essere una semplice possibilità. Oppure, potrebbe essere un’indicazione che la produzione di quattro top quark è più comune delle previsioni del Modello standard, il che potrebbe significare che questa misurazione è il primo suggerimento di una fisica nuova e inaspettata. “Ulteriori dati della prossima serie di LHC – insieme a ulteriori sviluppi delle tecniche di analisi impiegate – miglioreranno la precisione di questa misurazione stimolante“, hanno affermato i ricercatori in una nota.

L’LHC è stato temporaneamente chiuso dalla fine del 2018 per lavori di ristrutturazione, aggiornamento e manutenzione. Si prevede che riprenderà a funzionare nel 2021, anche se non è chiaro quanto la pandemia di COVID-19 influenzerà il programma.

Fonte: Live Science

I fisici del MIT hanno rilevato un tipo di particella ibrida in un insolito materiale magnetico bidimensionale. Hanno determinato che la particella ibrida è un mashup di un elettrone e un fonone (una quasiparticella prodotta dagli atomi vibranti di un materiale).

Quando hanno misurato la forza tra l’elettrone e il fonone, hanno scoperto che la colla, o legame, era 10 volte più forte di qualsiasi altro ibrido elettrone-fonone conosciuto fino ad oggi.

La scoperta potrebbe offrire un percorso verso dispositivi elettronici più piccoli e veloci

L’eccezionale legame della particella suggerisce che il suo elettrone e fonone potrebbero essere sintonizzati in tandem; per esempio, qualsiasi modifica all’elettrone dovrebbe influenzare il fonone e viceversa. In linea di principio, un’eccitazione elettronica, come la tensione o la luce, applicata alla particella ibrida potrebbe stimolare l’elettrone come farebbe normalmente e influenzare anche il fonone, che influenza le proprietà strutturali o magnetiche di un materiale. Tale doppio controllo potrebbe consentire agli scienziati di applicare tensione o luce a un materiale per ottimizzare non solo le sue proprietà elettriche ma anche il suo magnetismo.

I risultati sono particolarmente rilevanti, poiché il team ha identificato la particella ibrida nel trisolfuro di nichel fosforo (NiPS 3), un materiale bidimensionale che ha recentemente attirato l’interesse per le sue proprietà magnetiche. Se queste proprietà potessero essere manipolate, ad esempio attraverso le particelle ibride appena rilevate, gli scienziati ritengono che un giorno il materiale potrebbe essere utile come un nuovo tipo di semiconduttore magnetico, che potrebbe essere trasformato in un’elettronica più piccola, più veloce e più efficiente dal punto di vista energetico.

“Immagina di poter stimolare un elettrone e fare in modo che il magnetismo risponda”, ha affermato Nuh Gedik, professore di fisica al MIT. “Quindi potresti creare dispositivi molto più avanzati rispetto ad oggi”.

Gedik e i suoi colleghi hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Nature Communications.

Fogli di particelle

Il campo della moderna fisica della materia condensata è focalizzato, in parte, sulla ricerca di interazioni nella materia su scala nanometrica. Tali interazioni, tra atomi, elettroni e altre particelle subatomiche di un materiale, possono portare a risultati sorprendenti, come la superconduttività e altri fenomeni esotici. I fisici cercano queste interazioni condensando sostanze chimiche sulle superfici per sintetizzare fogli di materiali bidimensionali, che potrebbero essere sottili come uno strato atomico.

Nel 2018, un gruppo di ricerca in Corea ha scoperto alcune interazioni inaspettate nei fogli sintetizzati di NiPS 3, un materiale bidimensionale che diventa un antiferromagnete a temperature molto basse di circa 150 kelvin, o -123 gradi Celsius. La microstruttura di un antiferromagnete ricorda un reticolo a nido d’ape di atomi i cui spin sono opposti a quello del loro vicino. Al contrario, un materiale ferromagnetico è costituito da atomi con spin allineati nella stessa direzione.

Sondando NiPS 3, quel gruppo ha scoperto che un’eccitazione esotica è diventata visibile quando il materiale è stato raffreddato al di sotto della sua transizione antiferromagnetica, sebbene l’esatta natura delle interazioni responsabili di ciò non fosse chiara. Un altro gruppo ha trovato segni di una particella ibrida, ma anche i suoi costituenti esatti e la sua relazione con questa eccitazione esotica non erano chiari.

Gedik e i suoi colleghi si sono chiesti se avrebbero potuto rilevare la particella ibrida e stuzzicare le due particelle che compongono il tutto, catturando i loro movimenti caratteristici con un laser super veloce.

Magneticamente visibile

Normalmente, il movimento degli elettroni e di altre particelle subatomiche è troppo veloce per essere ripreso, anche con la fotocamera più veloce del mondo. La sfida, sostiene Gedik, è simile a quella di scattare una foto di una persona che corre. L’immagine risultante è sfocata perché l’otturatore della fotocamera, che lascia entrare la luce per catturare l’immagine, non è abbastanza veloce e la persona sta ancora correndo nell’inquadratura prima che l’otturatore possa scattare una foto nitida.

Per aggirare questo problema, il team ha utilizzato un laser ultraveloce che emette impulsi luminosi della durata di soli 25 femtosecondi (un femtosecondo è 1 milionesimo di 1 miliardesimo di secondo). Hanno diviso l’impulso laser in due impulsi separati e li hanno puntati su un campione di NiPS 3. I due impulsi sono stati impostati con un leggero ritardo l’uno dall’altro in modo che il primo stimolasse, o “scalciasse”, il campione, mentre il secondo catturava la risposta del campione, con una risoluzione temporale di 25 femtosecondi. In questo modo, sono stati in grado di creare “filmati” ultraveloci da cui si potevano dedurre le interazioni di diverse particelle all’interno del materiale.

In particolare, hanno misurato l’esatta quantità di luce riflessa dal campione in funzione del tempo tra i due impulsi. Questa riflessione dovrebbe cambiare in un certo modo se sono presenti particelle ibride. Questo si è verificato quando il campione è stato raffreddato al di sotto di 150 kelvin, quando il materiale diventa antiferromagnetico.

“Abbiamo scoperto che questa particella ibrida era visibile solo al di sotto di una certa temperatura, quando il magnetismo è attivo”, ha affermato Ergeçen.

Per identificare i costituenti specifici della particella, il team ha variato il colore, o frequenza, del primo laser e ha scoperto che la particella ibrida era visibile quando la frequenza della luce riflessa era attorno a un particolare tipo di transizione nota per verificarsi quando un elettrone si muove tra due orbitali d.

Hanno anche esaminato la spaziatura del pattern periodico visibile all’interno dello spettro della luce riflessa e hanno scoperto che corrispondeva all’energia di un tipo specifico di fonone. Ciò ha chiarito che la particella ibrida è costituita da eccitazioni di elettroni orbitali d e questo fonone specifico.

Hanno eseguito ulteriori modelli in base alle loro misurazioni e hanno scoperto che la forza che lega l’elettrone al fonone è circa 10 volte più forte di quella stimata in altri noti ibridi elettrone-fonone.

“Un potenziale modo per sfruttare questa particella ibrida è che potrebbe consentire di accoppiarsi a uno dei componenti e sintonizzare indirettamente l’altro”, ha affermato Ilyas.

“In questo modo, potresti modificare le proprietà di un materiale, come lo stato magnetico del sistema”.

A sfrecciare intorno a Giove e alle sue 79 lune c’è la navicella spaziale Juno, un satellite della NASA che invia le immagini del pianeta più grande del nostro sistema solare ai ricercatori sulla Terra.

Le immagini dei cicloni polari su Giove consentono agli scienziati di studiare le forze che li guidano

Queste fotografie hanno fornito agli oceanografi materiale di prima mano per un nuovo studio pubblicato sulla rivista Nature Physics che descrive la ricca turbolenza ai poli di Giove e le forze fisiche che guidano i grandi cicloni.

L’autrice principale Lia Siegelman, oceanografa fisica e studiosa post-dottorato presso la Scripps Institution of Oceanography dell’Università della California a San Diego, ha deciso di proseguire la ricerca dopo aver notato che i cicloni al polo di Giove sembrano condividere somiglianze con i vortici oceanici che ha studiato durante il suo periodo come studentessa di dottorato. Utilizzando una serie di queste immagini e principi utilizzati nella fluidodinamica geofisica, Siegelman e colleghi hanno fornito prove di un’ipotesi di lunga data che la convezione umida – quando si alza aria più calda e meno densa – guida questi cicloni.

“Quando ho visto la ricchezza della turbolenza attorno ai cicloni gioviani con tutti i filamenti e i vortici più piccoli, mi ha ricordato la turbolenza che si vede nell’oceano attorno ai vortici”, ha detto Siegelman. “Questi sono particolarmente evidenti sulle immagini satellitari ad alta risoluzione delle fioriture di plancton, ad esempio”.

Siegelman afferma che la comprensione del sistema energetico di Giove, una scala molto più grande di quella terrestre, potrebbe anche aiutarci a comprendere i meccanismi fisici in gioco sul nostro pianeta, evidenziando alcune rotte energetiche che potrebbero esistere anche sulla Terra.

“Essere in grado di studiare un pianeta così lontano e trovare la fisica che si applica lì è affascinante”, ha detto. “Si pone la domanda, questi processi valgono anche per il nostro punto blu?”

Juno è la prima navicella spaziale a catturare immagini dei poli di Giove; i satelliti precedenti orbitavano attorno alla regione equatoriale del pianeta, fornendo vedute della famosa Macchia Rossa del pianeta.

Juno è dotato di due sistemi di telecamere, uno per le immagini in luce visibile e un altro che cattura le firme di calore utilizzando il Jovian Infrared Auroral Mapper (JIRAM), uno strumento sulla navicella spaziale Juno supportato dall’Agenzia Spaziale Italiana.

Siegelman e colleghi hanno analizzato una serie di immagini a infrarossi che hanno catturato la regione polare nord di Giove, e in particolare l’ammasso di vortici polari. Dalle immagini, i ricercatori potrebbero calcolare la velocità e la direzione del vento monitorando il movimento delle nuvole tra le immagini.

Successivamente, il team ha interpretato le immagini a infrarossi in termini di spessore delle nuvole. Le regioni calde corrispondono a nuvole sottili, dove è possibile vedere più in profondità nell’atmosfera di Giove. Le regioni fredde rappresentano una fitta copertura nuvolosa, che ricopre l’atmosfera di Giove.

Questi risultati hanno fornito ai ricercatori indizi sull’energia del sistema. Poiché le nuvole gioviane si formano quando l’aria più calda e meno densa sale, i ricercatori hanno scoperto che l’aria che sale rapidamente all’interno delle nuvole agisce come una fonte di energia che alimenta scale più grandi fino ai grandi cicloni circumpolari e polari.

Giunone è arrivata per la prima volta al sistema gioviano nel 2016, fornendo agli scienziati il ​​primo sguardo a questi grandi cicloni polari, che hanno un raggio di circa 1.000 chilometri o 620 miglia. Ci sono otto di questi cicloni che si verificano al polo nord di Giove e cinque al suo polo sud. Queste tempeste sono presenti da quella prima vista cinque anni fa. Gli scienziati non sono sicuri di come abbiano avuto origine o per quanto tempo abbiano circolato, ma ora sanno che la convezione umida è ciò che li sostiene. I ricercatori hanno ipotizzato per la prima volta questo trasferimento di energia dopo aver osservato i fulmini nelle tempeste su Giove.

Giunone continuerà a orbitare attorno a Giove fino al 2025, fornendo ai ricercatori e al pubblico nuove immagini del pianeta e del suo vasto sistema lunare.