In che modo le particelle cosmiche superano il limite di energia dell’universo?

Anche tra i non scienziati, è risaputo che esiste un limite di velocità ultimo per l’Universo: la velocità della luce. 

Se sei una particella priva di massa, come un fotone, non hai altra scelta che muoverti esattamente a quella velocità mentre viaggi attraverso lo spazio vuoto, che è 299.792.458 m / s, o velocità della luce nel vuoto. 

Se sei una particella dotata di massa, non puoi mai raggiungere quella velocità, ma puoi solo avvicinarti ad essa. Non importa quanta energia metti in quella particella, si muoverà sempre più lentamente della luce.

Ma ciò non significa che le particelle possano muoversi alla velocità della luce quanto vogliono, senza ostacoli. L’universo stesso non è del tutto vuoto, poiché ci sono sia particelle massicce che fotoni che permeano tutto lo spazio. A energie normali, non giocano un ruolo molto importante, ma a energie molto elevate, queste particelle esercitano un significativo effetto di attrito, costringendo quelle particelle a rallentare al di sotto di uno specifico limite di energia. 

Almeno, dovrebbero, ma da quasi 30 anni stiamo osservando particelle che superano questo limite. Ecco la storia cosmica dietro ciò che sta realmente accadendo.

La particella a più alta energia che abbiamo mai prodotto sulla Terra è al Large Hadron Collider del CERN. Con energie che raggiungono circa 7 TeV, o circa ~ 7000 volte l’energia della massa a riposo del protone (da Einstein = mc ² ), queste particelle si muovono a 299.792.455 m / s, o 99,999999% della velocità della luce. Potrebbe sembrare veloce, ma i protoni con queste energie sono liberi di viaggiare attraverso l’Universo senza troppe preoccupazioni.

Di cosa dovrebbe preoccuparsi un protone più veloce?

Che tu ci creda o no, la risposta è “il quanto di energia più comune nell’Universo“, che è il fotone. 

Anche se pensiamo che i fotoni provengano principalmente dalle stelle – cosa che fanno – questo vale sono solo per i fotoni che sono stati creati negli ultimi circa 13,7 miliardi di anni. Già nelle prime fasi del Big Bang, esisteva un numero molto maggiore di fotoni: più di un miliardo per ogni protone o neutrone nell’Universo. 

Oggi quei fotoni sono ancora in giro, più diffusi e con un’energia più bassa che mai. Ma non solo possiamo rilevarli; possiamo capire quali sono le loro proprietà.

Permettendo ogni centimetro cubo di spazio, o circa la metà della dimensione dell’ultima articolazione del tuo anulare, ci sono 411 fotoni rimasti dal Big Bang in quel volume. Se dovessi segare metà del tuo anulare e lasciarlo fluttuare nello spazio, più di dieci trilioni di tali fotoni entrerebbero in collisione con esso ogni secondo. 

Anche se hanno un’energia estremamente bassa, con un’energia media di ~ 200 microelettroni-Volt, sono il tipo di particella più abbondante nell’Universo.

Nel nostro angolo di vicinato cosmico, questo numero è assolutamente sminuito dal numero di fotoni provenienti dal nostro Sole, ma questo succede solo perché siamo così vicini al Sole. Mentre le immagini profonde dello spazio esterno rivelano miliardi e miliardi di stelle raggruppate in trilioni di galassie all’interno dell’Universo osservabile, la stragrande maggioranza del volume dell’Universo è costituita dallo spazio intergalattico. 

In quelle regioni – che rappresentano i luoghi in cui le particelle cosmiche trascorrono la maggior parte del loro tempo viaggiando – sono i fotoni rimanenti del Big Bang a essere i più comuni.

Allora, cosa accade alle particelle mentre viaggiano attraverso lo spazio intergalattico?

La stessa cosa che accade alla tua mano quando la sposti fuori dal finestrino della macchina mentre il tuo veicolo percorre l’autostrada. Quando la tua auto è ferma, solo le molecole d’aria in movimento entrano in collisione con te e solo alle basse velocità / energie alle quali viaggiano rispetto alla tua mano ferma. Quando la tua auto è in movimento, tuttavia, la tua mano in movimento si scontrerà preferenzialmente con un numero maggiore di particelle nella direzione in cui è in movimento. E più veloce vai, maggiore è:

• il tasso di collisioni con le molecole d’aria,
• la forza sperimentata dalla tua mano,
• e l’energia scambiata tra le particelle e la tua mano ad ogni singola collisione.

Infatti, ogni volta che raddoppi la velocità del tuo veicolo, la forza sulla tua mano derivante dalle collisioni con le molecole d’aria quadruplica.

Per le particelle cosmiche, la storia è simile. 

Una particella stazionaria sperimenta un tasso uguale di collisioni di pari energia da questi fotoni rimanenti in tutte le direzioni. Se la particella non è stazionaria, ma piuttosto si muove lentamente, i fotoni rimasti dal Big Bang entrano in collisione con essa da tutte le direzioni in modo relativamente uguale, ma è più probabile che si scontrino nella direzione in cui si sta muovendo la particella. 

Inoltre, ci sarà un leggero spostamento di energia: le collisioni che si verificano frontalmente, tra la particella ed i fotoni che si muovono nella direzione opposta, impartiranno più energia alla particella rispetto ai fotoni che la colpiscono da qualsiasi altra direzione.

Tuttavia, anche alle velocità ottenibili con il Large Hadron Collider, gli effetti di questi fotoni possono essere trascurati. Anche per le particelle che viaggiano attraverso il mezzo intergalattico per miliardi di anni, anche al 99,999999% della velocità della luce, questi fotoni comuni hanno un’energia così bassa che non riescono a rallentare queste particelle nemmeno di un singolo metro al secondo, cumulativamente, nella storia dell’Universo.

Ma a energie molto, molto alte, le cose iniziano a farsi interessanti. La ragione? Ogni volta che due cose entrano in collisione, ci sono tre opzioni per ciò che può accadere, anche se normalmente consideriamo solo le prime due.

1. Possono entrare in collisione elasticamente, dove i due oggetti rimbalzano l’uno dall’altro, scambiando energia e quantità di moto ma conservandoli entrambi.
2. Possono entrare in collisione in modo inelastico, dove i due oggetti conservano lo slancio ma perdono energia, aderendo totalmente o parzialmente insieme nel processo.
3. Oppure possono entrare in collisione e – se è disponibile abbastanza energia – creare nuove particelle (e antiparticelle) attraverso la più famosa equazione di Einstein: E = mc ² .

La collisione di un fotone con una particella cosmica in rapido movimento, come un protone (che si osserva essere la maggior parte dei raggi cosmici), non avrà un grande effetto se non c’è abbastanza energia (nel centro del momento) per E = mc ² per fare qualcosa di interessante. Ma man mano che la particella cosmica in questione diventa sempre più energetica, alla fine gli effetti quantistici che derivano da questo terzo fenomeno iniziano a diventare importanti.

A circa un milione di volte le energie che i protoni possono raggiungere al Large Hadron Collider, il fatto che i fotoni possano “fluttuare” in uno stato in cui si comportano come le coppie elettrone-positrone inizia ad avere importanza. 

Quando protoni raggiungono un’energia che supera circa 10¹⁷ elettronvolt, ecco cosa accade. 

Nel frame del centro della quantità di moto, il protone “vede” il fotone come avente circa 1.000.000 di volt di elettroni di energia, potenziati dai suoi ~ 200 microelettroni di volt originali. Questo è importante, perché l’elettrone e il positrone hanno ciascuno un’energia di massa a riposo di circa 500.000 elettroni-Volt; se puoi crearli, puoi interagire con loro.

Una volta che i protoni iniziano a entrare in collisione con questi elettroni (e positroni), iniziano a perdere energia molto più rapidamente. Ogni collisione di elettroni (o positroni) assorbe circa lo 0,1% dell’energia del protone originale; anche se questi eventi sono rari, possono sommarsi nei milioni di anni luce che separano le galassie l’una dall’altra. 

Tuttavia, questo effetto da solo non è sufficiente per limitare l’energia consentita per i protoni dei raggi cosmici.

Ma dovrebbe esserci un limite: quando l’energia del centro della quantità di moto sale abbastanza in alto che un protone che si scontra con un fotone ha abbastanza energia libera, sempre tramite E = mc ^{2 di} Einstein, produce una particella subatomica nota come pione (π). 

Questo è un processo di drenaggio dell’energia molto più efficiente, poiché ogni pione prodotto abbassa l’energia originale del protone di circa il 20%. Dopo aver viaggiato per soli ~ 100-200 milioni di anni attraverso il mezzo intergalattico – un salto temporale rispetto all’età di 13,8 miliardi di anni dell’Universo – tutti i protoni dovrebbero scendere al di sotto di quell’energia limite: circa 5 × 10 ¹⁹ volt elettronici.

Ma sin da quando abbiamo iniziato a misurare le energie dei raggi cosmici, abbiamo scoperto prove di particelle che superano quella energia massima: gli esempi più estremi di raggi cosmici ad altissima energia. 30 anni fa, la fotocamera Fly’s Eye nello Utah osservò una particella cosmica con 3,2 × 10 ²⁰ volt di elettroni di energia, e fu immediatamente chiamata particella Oh-My-God. 

Un rilevatore di follow-up, HiRes, ha confermato l’esistenza di più particelle (circa ~ 15 circa) che superano questa soglia di energia limite. E, attualmente, l’Osservatorio Pierre Auger continua a rilevare un numero significativo di eventi che possiedono energie che sono notevolmente al di sopra di questo massimo teorico.

Com’è possibile? Prima che la tua mente vada alle spiegazioni più fantastiche immaginabili, come “la relatività è sbagliata“, considera queste altre opzioni.

1. Queste particelle ad alta energia vengono prodotte nelle vicinanze, quindi non hanno il tempo di scendere al di sotto del limite.
2. La più alta di queste particelle ad alta energia non è fatta di protoni, ma qualcos’altro che è più pesante e ha un limite di energia più alto.
3. O che i buchi neri attivi e supermassicci possono accelerare i protoni a energie estreme – uno Zevatron cosmico – e rimangono al di sopra di quel limite nel momento in cui ci raggiungono.

Osservatori più moderni possono individuare le direzioni da cui provengono queste particelle e determinare che non sono correlate a nessun particolare insieme di direzioni nel cielo. Non sono correlati con le caratteristiche all’interno della nostra galassia, né con le stelle di neutroni, né con i buchi neri supermassicci attivi, né con le supernove, né con altre caratteristiche identificabili.

Tuttavia, ci sono alcune prove abbastanza buone che all’estremità superiore dello spettro dei raggi cosmici ad altissima energia, stiamo vedendo nuclei atomici più pesanti: non solo idrogeno ed elio, ma metalli pesanti come il ferro. Con ~ 56 protoni e neutroni in ciascun nucleo di ferro, il limite di energia può superare ~ 10 ²¹ volt di elettroni, concordando finalmente con le osservazioni.

Quando riunisci tutte queste informazioni, dipingi un’immagine sorprendente dell’Universo. 

Le particelle di raggi cosmici non solo esistono, ma molte di esse sono dotate di energie che sono milioni di volte maggiori di quelle che possiamo produrre nei più potenti acceleratori di particelle sulla Terra. La maggior parte di queste particelle sono protoni, ma alcune sono composte da nuclei atomici più pesanti. 

A energie progressivamente più elevate, vediamo sempre meno particelle, ma a una particolare energia critica – 5 × 10 ¹⁹ volt di elettroni, corrispondente all’energia in cui i protoni e i fotoni del Big Bang possono produrre pioni – c’è un calo importante, ma un’energia più elevata esistono ancora particelle.

Dopo decenni di mistero, pensiamo di sapere perché: la piccola frazione di nuclei atomici più pesanti può sopravvivere al viaggio attraverso lo spazio intergalattico a queste alte energie, mentre i protoni no. 

Con la sua energia distribuita su ~ 50 o ~ 60 particelle, queste particelle composite pesanti e ultra energetiche possono sopravvivere per molti milioni o addirittura miliardi di anni nello spazio. 

Anche se non siamo ancora sicuri di come siano state create, possiamo appendere i nostri cappelli a questo risultato: abbiamo almeno risolto il mistero di cosa siano queste particelle cosmiche estreme e, con esso, anche la loro sopravvivenza ha senso.