Il 2022 della fisica

Un Bosone Allettantemente Pesante

Il collisore Tevatron nell’Illinois ha distrutto i suoi ultimi protoni un decennio fa, ma i suoi gestori hanno continuato ad analizzare i suoi rilevamenti di bosoni W, particelle che mediano la forza debole. Ad aprile hanno annunciato che, rintracciando scrupolosamente ed eliminando le fonti di errore nei dati, hanno misurato la massa del bosone W in modo più preciso che mai e trovato la particella significativamente più pesante di quanto previsto dal Modello standard della fisica delle particelle.

Una vera discrepanza con il Modello standard sarebbe una scoperta monumentale, che indica nuove particelle o effetti al di là della portata della teoria. Altri esperimenti che hanno pesato il W – in particolare l’esperimento ATLAS al Large Hadron Collider europeo – hanno misurato una massa molto più vicina alla previsione del Modello standard. La nuova misurazione del Tevatron pretende di essere più precisa, ma uno o entrambi i gruppi potrebbero aver perso qualche sottile fonte di errore. 

L’esperimento ATLAS mira a risolvere la questione. Come ha affermato Guillaume Unal, membro di ATLAS, “Il bosone W deve essere lo stesso su entrambe le sponde dell’Atlantico“.

Ripensare la naturalezza

Tutto quel ronzio su un tenue accenno a un problema con il Modello standard riflette la situazione travagliata in cui si trovano i fisici delle particelle. Le 17 particelle elementari note per esistere – quelle descritte dal Modello standard – non risolvono tutti i misteri dell’universo. Eppure il Large Hadron Collider non ha fissato la 18esima particella.

Per anni, i teorici hanno lottato su come procedere. Ma recentemente si è aperta una nuova direzione. I teorici stanno ripensando un presupposto di lunga data noto come naturalezza , un modo di ragionare su ciò che è naturale o previsto nelle leggi della natura. L’idea è strettamente connessa alla struttura riduzionista della natura, a bambola nidificata, in cui le cose grandi sono spiegate da cose più piccole. Ora i teorici si chiedono se, dopotutto, profondi problemi di naturalezza come la mancanza di nuove particelle dal Large Hadron Collider potrebbero significare che le leggi della natura non sono strutturate in un modo così semplice, dal basso verso l’alto. In una serie di nuovi articoli, stanno esplorando come la gravità potrebbe cambiare radicalmente il quadro.

“Alcune persone la chiamano crisi“, ha detto la fisica teorica delle particelle Isabel Garcia Garcia, riferendosi al momento attuale nel campo. Ma è troppo pessimista, a suo avviso: “È un momento in cui mi sembra che ci stiamo avvicinando a qualcosa di profondo“. 

(Per inciso, oltre a ripensare la naturalezza, Garcia Garcia studia anche la fisica del nulla).

Fisica 2D sbloccata 

Migliaia di fisici della materia condensata hanno studiato il grafene, un foglio di cristallo fatto di atomi di carbonio che ha proprietà speciali. Ma ultimamente è entrata in scena una nuova famiglia di cristalli piatti: i dicalcogenuri di metalli di transizione, o TMD. L’impilamento di diversi TMD dà origine a materiali su misura con diverse proprietà e comportamenti quantistici.

Le proprietà quasi magiche di questi materiali sono note in gran parte grazie a Jie Shan e Kin Fai Mak, una coppia sposata che gestisce un laboratorio alla Cornell University.

Un Wormhole Olografico

A novembre, i fisici hanno annunciato un “esperimento di gravità quantistica su un chip” unico nel suo genere, secondo le parole del team leader Maria Spiropulu del California Institute of Technology. Hanno eseguito un “protocollo di teletrasporto wormhole“ sul computer quantistico Sycamore di Google, manipolando il flusso di informazioni quantistiche nel computer in modo tale che fosse matematicamente equivalente, o duale, alle informazioni che passano attraverso un wormhole tra due punti nello spazio-tempo. 

Per essere chiari, il wormhole non fa parte dello spazio-tempo in cui abitiamo. È una sorta di simulazione o ologramma, anche se non uno dei tipi a cui siamo abituati, e ha una geometria spazio-temporale diversa rispetto allo spazio-tempo 4D reale, positivamente curvo, in cui viviamo. Il punto dell’esperimento era per dimostrare la dualità olografica, un’importante scoperta teorica degli ultimi 25 anni che afferma che alcuni sistemi quantistici di particelle possono essere interpretati come un continuum spazio-temporale flessibile e gravitante (lo spazio-tempo può essere vagamente pensato come un ologramma che emerge dal sistema quantistico di dimensione inferiore). In esperimenti di computer quantistici più avanzati nei prossimi anni, i ricercatori sperano di esplorare la meccanica della dualità olografica. 

Il wormhole olografico ha generato infinite opinioni tra fisici e lettori profani. Alcuni fisici hanno pensato che la simulazione quantistica fosse troppo ridotta rispetto al modello teorico su cui si basava per avere una doppia descrizione olografica come un wormhole. Molti pensavano che i fisici dietro il lavoro, e noi, i giornalisti che lo coprivano, avremmo dovuto sottolineare meglio che questo non era un vero wormhole che potesse trasportare persone su Andromeda. In effetti, per aprire un wormhole nello spazio-tempo reale, avresti bisogno di materiale di energia negativa, e questo non sembra esistere. 

JWST sta rivoluzionando l’astronomia

La cosa più importante avvenuta nella fisica quest’anno fluttua a un milione di miglia di distanza, in un punto nello spazio chiamato Lagrange Point 2, dove il suo schermo solare può bloccare contemporaneamente la Terra, la Luna e il Sole. Le immagini di JWST hanno fatto fermare i cuori. I suoi dati stanno già rimodellando la nostra comprensione del cosmo.

Quando Biden ha svelato la prima immagine di JWST, i ricercatori hanno immediatamente iniziato a individuare galassie interessanti nel vasto tableau. I primi articoli scientifici sono apparsi online in pochi giorni. Due settimane dopo, i dati JWST avevano già prodotto nuove scoperte su galassie, stelle, esopianeti e persino Giove. Una delle prime scoperte più entusiasmanti è stata che le galassie sembrano essersi riunite sorprendentemente all’inizio della storia cosmica, forse anche prima di quanto i modelli cosmologici possano facilmente spiegare. Aspettatevi di saperne di più su questo nel 2023.  

Dovremo anche attendere pazientemente i tanto attesi studi di JWST sui pianeti rocciosi in un vicino sistema stellare chiamato TRAPPIST-1. Una specialità chiave del JWST è sezionare la luce stellare che perfora l’atmosfera di un pianeta lontano mentre il pianeta si muove attraverso la faccia della sua stella. Questo rivela di cosa è fatta l’atmosfera del pianeta, inclusa la possibile prova di gas “biosignature” che potrebbero indicare la presenza di biologia aliena. Il telescopio ha già prodotto eccellenti spettri di esopianeti. Ma i mondi potenzialmente abitabili, come i pianeti TRAPPIST-1, sono così piccoli che dovranno transitare davanti ai loro soli alcune volte nei prossimi anni prima che si manifestino le caratteristiche atmosferiche. 

Potrebbe essere improbabile vedere tracce biologiche chiare nei loro cieli. Tuttavia, alcuni astronomi hanno aspettato tutta la loro carriera per iniziare la ricerca. Lisa Kaltenegger, direttrice del Carl Sagan Institute della Cornell University e una delle principali modellatrici computerizzate di mondi potenzialmente abitabili, è diventata maggiorenne proprio quando sono stati scoperti i primi esopianeti. Si è unita a un gruppo di sognatori che hanno iniziato a pensare a come trovare la vita su uno di questi. Maggiori informazioni su questo nei prossimi anni.