Cosa accadrebbe se una particella di materia delle dimensioni di un pisello sgonfiasse la Terra in pochi istanti e tutto ciò che si trova su di essa trasformandola in una sfera senza vita fatta di quark in orbita attorno al sole?
Sembra strano, ma questa preoccupazione ha catturato l’immaginazione del pubblico tra la fine degli anni ’90 e l’inizio degli anni 2000 mentre venivano costruiti due dei più importanti collisori di particelle al mondo, e alcuni pensavano che queste strutture avrebbero portato a questa fine apocalittica se mai fossero state portate in linea.
La preoccupazione era che gli acceleratori di particelle – in particolare il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) presso il Brookhaven National Laboratory di Upton, NY, e il Large Hadron Collider (LHC), che si trova a cavallo del confine tra Francia e Svizzera – avrebbero accidentalmente prodotto un gas particolarmente pericoloso.
Questa “materia strana”, come veniva chiamata, convertirebbe rapidamente tutta la materia normale sulla Terra in materia strana come lei in pochi istanti, una sorta di apocalisse zombi di particelle alimentata da una crescita esponenziale che avrebbe lasciato la Terra e tutta la vita su di essa ridotti a una palla di quark relativamente piccola di circa 100 metri di diametro.
Proprio come la paura escatologica di un microscopico buco nero che trascina il nostro pianeta e tutti noi nel vuoto, il panico per gli strangelet era pieno di iperboli e disinformazione antiscientifica, ma anche di paure reali di entrare in un pericolo sconosciuto.
Mentre ci avviciniamo a paure simili riguardo alle nuove tecnologie e a un futuro incerto, ci sono lezioni da imparare dal panico da strangelet e da come i fisici sono riusciti a educare un pubblico diffidente e a promuovere la causa della comprensione umana.
Materia strana
Per comprendere la materia strana è necessario conoscere i quark.
I quark sono le particelle elementari che compongono protoni e neutroni e sono disponibili in sei tipi: up, down, charm, strange, top e bottom. Praticamente tutta la materia è fatta di quark up e down, con due up e un down che formano un protone e due down e un up che formano un neutrone.
Anche se da altri quark si possono formare particelle più grandi, questi sono altamente instabili a causa della loro massa che decadono quasi immediatamente in particelle più leggere. I neutroni, e soprattutto i protoni, sono molti ordini di grandezza più stabili (un protone decade naturalmente in circa 10 34 anni, mentre fuori dal nucleo un neutrone decade in circa 15 minuti) e di conseguenza i protoni sono stati a lungo considerati la base di tutta la grande materia.
L’ipotesi della materia strana, tuttavia, dice che sbagliavamo.
“Fondamentalmente, la materia strana è una forma di materia in cui i quark up, down e strage sono ugualmente rappresentati“, spiega il dottor Don Lincoln, un fisico sperimentale delle particelle presso il Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) che produce video scientifici sul canale YouTube del Fermilab e che faceva parte dei team internazionali che scoprirono il quark top nel 1995 e il bosone di Higgs nel 2012. “E quando hai la materia, in teoria ovviamente, in quella configurazione, hai lo stato energetico più basso.”
Dato che tutto nell’universo sta cercando di raggiungere lo stato energetico più basso possibile (la natura è fondamentalmente pigra), questo rappresenta per noi un problema, in teoria, poiché la materia normale si trova in uno stato energetico più elevato e reagirà pericolosamente quando entra in contatto con la materia strana.
“Quando altra materia tocca materia strana, quella materia verrà portata nello stato energetico inferiore”, ha detto Lincoln, “trasformandosi da un protone o neutrone o qualsiasi altra cosa, in questo strano stato. Questa è un’affermazione teorica che non è stata convalidata sperimentalmente e potrebbe non essere corretta, ma questa è l’idea alla base delle preoccupazioni riguardanti la materia strana”.
Questa materia strana appena convertita continuerebbe poi a convertire altra materia attorno ad essa in materia strana come lei, e quella materia convertirà ancora altra materia, finché alla fine non rimarrà più materia normale da convertire.
“Quindi è come il tocco di Mida“, ha detto Lincoln. “Mida poteva trasformare le cose in oro con un tocco, la materia strana può allungarsi, toccare e creare altra materia strana. Questa è l’idea“.
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Ipotesi della materia strana
La teoria di Whitten è in realtà piuttosto semplice.
Al centro del secondo oggetto più denso dell’universo, una stella di neutroni, la pressione è così intensa che i neutroni nel nucleo si dissolvono effettivamente nella “materia di quark”, una zuppa di quark e gluoni non più legati insieme in particelle discrete.
Questo plasma di quark e gluoni è ancora sotto un’enorme pressione e tenta di alleviare questa pressione a livello quantico prendendo l’energia creata dalla pressione nel nucleo e convertendo alcuni dei suoi quark down in quark strani.
La materia dei quark risultante, contenente quark up, down e quark strani in egual misura, che noi chiamiamo materia strana, si trova ora in uno stato energetico ancora più basso rispetto a un normale nucleo atomico.
Ulteriori ricerche di Edward Farhi e RL Jaffe hanno ulteriormente perfezionato l’ipotesi della materia strana, portando al concetto di strangelet che abbiamo oggi: un ammasso di materia strana abbastanza grande da poter interagire con la materia normale e comprendente due importanti proprietà teoriche. la prima è che, poiché si trova nello stato energetico più basso possibile, uno strangelet può indurre la materia circostante a convertirsi in materia strana, trasformando rapidamente grandi quantità di materia normale in materia strana.
La seconda importante proprietà teorica della materia strana è che man mano che uno strangelet diventa più grande, diventa più stabile. Quindi, uno strangelet sufficientemente grande non avrebbe bisogno del crogiolo ad alta pressione del nucleo di una stella di neutroni per impedire il decadimento dei quark strani presenti nella materia strana.
Questo è il nocciolo della teoria, e mentre c’è chi è preoccupato per le strane collisioni stellari che inviano particelle strangelet che sfrecciano attraverso l’universo come schegge apocalittiche finché non colpiscono qualcosa fatto di materia normale, è stato l’inizio delle operazioni al RHIC alla fine degli anni ’90 che in realtà portò la paura degli strangelet sulla Terra.
Perché la gente è andata fuori di testa
Quando acceleratori come RHIC e LHC fanno impattare tra loro le particelle, lo fanno accelerando flussi separati di nuclei atomici a frazioni significative della velocità della luce utilizzando onde radio e magneti, quindi reindirizzando i flussi su una rotta di collisione tra loro.
Le risultanti collisioni ad alta energia non si limitano a frantumare il nucleo atomico, ma superano la forte forza nucleare che tiene insieme protoni e neutroni, facendo volare ogni sorta di quark e altre particelle elementari mentre speciali sensori osservano da bordocampo.
Sono queste le particelle che interessano di più ai fisici, ed è così che abbiamo scoperto tutti i vari quark e particelle che compongono il modello standard della fisica delle particelle, attualmente il quadro teorico di maggior successo mai ideato per comprendere l’universo.
Naturalmente, questo significa anche che ci saranno molti quark up, down e quark strange che entreranno in collisione ad alta energia tra loro, facendo sorgere il timore tra alcuni che questi acceleratori di particelle possano produrre esattamente le giuste condizioni affinché si formi uno strangelet. A quel punto, partiamo per l’apocalisse.
“È lì“, ha detto Lincoln riferendosi al mix di quark up, down e strage prodotto dalle collisioni di particelle, “succede continuamente. E per quanto riguarda la mescolanza di quark up, down e strange, c’è una particella chiamata lambda. Una particella lambda è già una particella con un su, un giù e una strana stranezza al suo interno. E questo non è pericoloso. Ciò che è pericoloso, secondo la teoria degli strangelet, è che non ci sono solo un quark su, giù e un quark strange, ma ci sono un sacco di cose simili insieme, legate insieme, come una sorta di supernucleo. Quindi hai bisogno di molti quark su, giù e strange insieme.
“Durante le collisioni, E=mc 2 dice che l’energia produrrà la materia, quindi nel processo vengono prodotti quark strange. E c’è questo calderone stretto di soli quark che corrono qua e là con quark strange nella miscela, e quindi la teoria dice che se si verifica una fluttuazione di molti quark strange nello stesso posto, allora avverrebbe questa transizione a palla di fuoco nella materia strange. E poiché si suppone che la materia strange si trovi in uno stato energetico inferiore, è stabile. E se è stabile, persiste”.
Quindi, se la teoria sottostante è almeno credibile, e c’è materiale più che sufficiente per la possibile formazione di strangelet, perché non dovremmo preoccuparci di questo?
Strangelets e altre paure
Per placare le preoccupazioni del pubblico e della comunità scientifica, nel 1999 il direttore del Brookhaven National Laboratory ha commissionato un rapporto per considerare le preoccupazioni fondamentali sulla sicurezza del collisore di particelle, inclusa la formazione di strangelet.
Riguardo specificamente a tale questione, il rapporto ha affrontato le quattro principali preoccupazioni circa la potenziale formazione di strangelet e ha scoperto che tali preoccupazioni erano infondate.
In primo luogo, vi si osserva che, nonostante la sua possibilità teorica, non c’è prova in nessuna parte dell’universo che la materia strana esista effettivamente.
In secondo luogo, mentre la materia strana diventa più stabile man mano che uno strangelet diventa più grande, è vero anche il contrario, vale a dire che un minuscolo strangelet, come quelli che un collisore di particelle potrebbe produrre, sarebbe intrinsecamente instabile e decaderebbe prima di poter interagire con qualsiasi cosa.
In terzo luogo, i collisori di particelle pesanti come RHIC avrebbero un’energia troppo elevata per produrre uno strangelet stabile.
Infine, lo strangelet teoricamente più stabile aveva una probabilità schiacciante di avere una carica elettrica positiva, quindi sarebbe stato fortemente respinto dal nucleo atomico carico positivamente, impedendo il tipo di interazione necessaria per una reazione a catena fuori controllo.
Le collisioni ad alta energia presso LHC, nel frattempo, sono semplicemente troppo “calde” perché gli strangelet possano fondersi, ha sostenuto il CERN, rendendo ancora meno probabile la formazione di uno strangelet lì rispetto a RHIC.
Ma un singolo rapporto su un singolo collisore di particelle e spiegazioni con frasi del tipo “questo rende ancora meno probabile la formazione di strangelet” non è esattamente la garanzia ferrea che molte persone cerchano, specialmente coloro che non si fidano della scienza.
“Ciò di cui abbiamo veramente bisogno è una spiegazione della sicurezza che trascenda il pericolo specifico“, ha detto Lincoln. “E, fortunatamente, sappiamo come farlo. E il modo in cui lo facciamo è rivolgerci alla natura e dire: “Le collisioni del tipo che si verificano a Brookhaven o nell’LHC si verificano già in natura?” Se lo fanno e non hanno causato danni catastrofici, allora siamo a posto”.
Osservando i raggi cosmici – particelle ad alta energia lanciate attraverso lo spazio dalle supernove, i getti relativistici dei buchi neri o qualsiasi numero di fenomeni esplosivi nell’universo – troviamo proprio questo tipo di esperimento in natura, ha detto Lincoln.
“Sappiamo che la maggior parte dei raggi cosmici provenienti dallo spazio sono tali che le collisioni con l’atmosfera sono molto inferiori rispetto alle energie dell’LHC. Tuttavia, ci sono raggi cosmici ad altissima energia che hanno energie che le trascendono di parecchio, e questa energia trasformata equivale ad essere colpiti frontalmente”.
Uno di questi eventi cosmici dimostra come la potenza di molti di questi eventi possa far impallidire qualsiasi cosa gli esseri umani possano produrre in un acceleratore di particelle.
“Il 15 ottobre 1991, c’è stato un raggio cosmico che si è schiantato nell’atmosfera terrestre, che aveva l’energia più alta mai registrata, ed era così alta che la chiamano la particella Oh My God“, ha detto Lincoln. “Era 3,2 x 10 20 elettronvolt, quindi se lo trasformi negli equivalenti dell’LHC, allora l’energia di collisione è circa 60 volte superiore all’energia dell’LHC“.
“Guarda le collisioni un po’ più basse, quelle che rappresentano circa il 20% [dell’evento particellare Oh My God]. Abbiamo visto centinaia di collisioni che rappresentano il 20% di quell’energia. Quindi in quell’intervallo, queste sono 25 volte più energetiche delle collisioni dell’LHC”.
E questo proprio da quando abbiamo iniziato a cercare queste collisioni ad alta energia nell’atmosfera. La Terra è qui da 4,5 miliardi di anni ed è stata colpita da queste particelle per tutto il tempo, quindi se uno strangelet dovesse formarsi da una collisione ad alta energia, avrà avuto miliardi di anni per trasformare il pianeta in una sostanza appiccicosa molto tempo prima che noi acceso l’LHC.
“E quando guardi la Terra, non è così grande“, ha aggiunto Lincoln. “Dai un’occhiata a Giove, è molto più grande. Guarda il sole. Se questo fosse un problema, se questa cosa della produzione strangelet fosse davvero pericolosa, guarderemmo nello spazio e vedremmo le stelle trasformarsi in strane stelle, o scomparire nei buchi neri [da microscopici buchi neri che si formano da collisioni ad alta energia] , o qualunque cosa. E non lo vediamo. Quindi, da questo, possiamo concludere in modo abbastanza definitivo che qualunque cosa tu possa immaginare, non può essere pericolosa perché la natura ha già fatto l’esperimento per noi”.
L’ultima parola sugli strangelet?
In definitiva, la questione degli strangelet e della minaccia (o non minaccia) che rappresentano potrebbe avere una risposta molto più semplice, ed è una risposta che ha molte più prove sperimentali a suo favore: non esistono.
L’intera idea degli strangelet si basa sulla teoria secondo cui la materia strana è lo stato energetico più basso che la materia può assumere. In effetti, l’ipotesi della materia strana sostiene che, alla fine, tutta la materia si decomporrà in materia strana, anche se passerà molte volte la vita dell’universo prima che ciò accada.
E se questa premessa fosse semplicemente sbagliata?
“Questa sarebbe la mia spiegazione del motivo per cui non vediamo [la materia strana]“, ha detto Lincoln. “O non si forma affatto, o non è lo stato energetico più basso, perché non vediamo la materia passare a quello stato nelle reazioni nucleari in nuclei molto pesanti nelle collisioni di ioni pesanti”.
“Non ci sono prove che siano stati creati strangelet, ma se lo sono, non persistono abbastanza a lungo da fornire una firma sperimentale. Quindi è una di queste due cose: non è si creano o non rappresentano lo stato energetico più basso”.
Comprensibilmente, le persone temeranno sempre ciò che non capiscono e l’apocalittico avrà sempre il suo fascino, scientifico o meno.
“Quello che sta succedendo qui è che le persone prendono idee scientificamente credibili, aggiungendo un po’ di comprensione della cultura pop, e gettandoci dentro un po’ di fantascienza apocalittica scritta negli ultimi 100 anni, mescolandola insieme in una miscela inebriante, e arrivando a qualcosa da temere“, ha detto Lincoln.
È stato necessario uno sforzo concertato da parte dei fisici per educare con successo non solo il pubblico ma anche i politici sul fatto che la preoccupazione per gli strangelet, i buchi neri microscopici, i monopoli e altri pericoli non corrispondeva alla scienza e che le loro paure erano infondate: un sottile ago da infilare quando si ha a che fare con un pubblico che spesso è diffidente sin dall’inizio ogni volta che un esperto arriva sulla scena per spiegare le proprie preoccupazioni.
È una paura giustificata? I fisici delle particelle stanno giocando alla rinfusa con il futuro del pianeta per ragioni di cui molti, se non la maggior parte, raramente sentiranno parlare e ancor meno capiranno? Per far avanzare la scienza, è necessario rispondere a queste domande ogni volta che si presentano.
“Penso che sia assolutamente giusto;” afferma Lincoln: “non solo è giusto, è imperativo che la comunità scientifica risponda a queste domande, e le risposte ci sono. Quando si esplora qualcosa di nuovo, che si tratti di collisori o di tecnologia genetica o qualsiasi altra cosa che non conosciamo, è ragionevole chiedersi: “Ma è sicuro?” E le persone hanno il diritto di aspettarsi una risposta”.
