Il neutrino e l’evoluzione dell’universo
I neutrini prodotti all’inizio dell’universo vengono chiamati “neutrini fossili” (relic neutrinos) per distinguerli da quelli cosmici, solari e atmosferici che si generano in continuazione.
I neutrini fossili si sono formati al momento del Big Bang in quantità molto elevata e, nonostante la rarefazione conseguente l’espansione dell’Universo, è stato calcolato che attualmente essi sono presenti nello spazio che ci circonda in circa 300 unità per cc.
I neutrini rappresentano un naturale trait d’union tra la cosmologia e la fisica delle particelle, gli scienziati infatti suppongono che abbiano avuto una notevole importanza nell’evoluzione dell’universo. Di contro, l’osservazione delle attuali strutture cosmologiche ci permette un riscontro sperimentale delle proprietà del neutrino.
Quando venne scoperta, la radiazione cosmica di fondo (o radiazione fossile)(1) sembrava omogenea e isotropa, in contrasto con l’assoluta mancanza di omogeneità nella distribuzione della materia nelle galassie, negli ammassi e nei super-ammassi. Appariva pertanto difficile spiegare come l’universo avesse potuto, attraverso la forza di gravità, raggiungere l’attuale grado di complessità partendo da uno stato omogeneo.
Le galassie e gli ammassi, infatti, si sono formati per collasso gravitazionale: una forza contrastata dall’espansione cosmica che aumenta le distanze fra i corpi, indebolisce le interazioni gravitazionali e determina un rallentamento nella formazione delle strutture cosmologiche.
Anche la materia barionica (cioè la materia ordinaria) ha una natura tale da interagire con la radiazione luminosa, creando un legame elettromagnetico che ostacola il collasso gravitazionale. Di conseguenza, per spiegare la struttura dell’universo attuale tramite la forza di gravità, occorreva ipotizzare l’esistenza di un tipo di materia che non interagisse con la luce (cioè “oscura”) e che contribuisse, a partire dagli inizi dell’universo, alla formazione delle strutture complesse che osserviamo oggi. Il naturale candidato al ruolo di materia oscura sembrava, pertanto, il neutrino. Tuttavia, le più recenti osservazioni sull’energia e materia oscura, hanno messo in evidenza come questa concezione fosse del tutto errata.
Secondo il modello standard i neutrini sono particelle prive di massa, con tre “sapori”: elettronico, muonico e tauonico. Nel corso di una serie di esperimenti effettuati nel 1998 presso il Super Kamiokanda(2), è emerso che essi oscillano fra i “tre stati di sapore”. In seguito alla scoperta delle tre famiglie di neutrini, ognuna formata da un insieme dei tre “stati di sapore” mescolati in proporzioni fisse, sono state rappresentate come tre “stati di massa”. Il fatto di avere una massa, seppur piccola, e che per sua natura non interagisse affatto con la luce e pochissimo con la materia, sembrava fare del neutrino (in particolare quello fossile) la soluzione migliore al problema della materia oscura. Nel mondo scientifico vi è concordanza sul fatto che la presenza della materia oscura (26% del totale) e dell’energia oscura (70%) influisca realmente sul collasso gravitazionale. Tuttavia, dovendo essere responsabile del 95% della densità complessiva dell’universo, la massa del neutrino non poteva essere inferiore a 30eV, mentre, sulla base di una recente mappatura della distribuzione della densità delle galassie vicine alla nostra, si attribuisce al limite superiore della sua massa il valore di 0,28 eV(3). Di conseguenza l’ipotesi della materia oscura neutrinica si è rivelata priva di fondamento.
Agli inizi degli anni novanta, nuovi rivelatori(4), più avanzati tecnologicamente, permisero di scoprire l’esistenza di minuscole fluttuazioni della radiazione cosmica di fondo, che non risultava quindi perfettamente omogenea come era sembrato fino ad allora. Queste fluttuazioni, dette anisotropie(5), erano state previste dal modello cosmologico basato sulla teoria dell’inflazione e della materia oscura. Esse giustificano la formazione e la distribuzione delle attuali strutture cosmiche, permettendo di indagare la natura della materia e dell’energia oscura in modo da giungere a una più completa comprensione dell’evoluzione dell’universo.
Come già accennato, la cosmologia può dare un significativo apporto per approfondire la conoscenza delle proprietà dei neutrini, che hanno lasciato tracce rivelatrici durante l’evoluzione dell’universo.
Un fenomeno importante da prendere in considerazione è l’influenza gravitazionale dei neutrini sui fotoni del fondo cosmico a microonde (la radiazione fossile) e sulla formazione delle strutture cosmologiche.
Il neutrino, pur avendo una piccola massa, può avere svolto infatti un’azione gravitazionale non trascurabile. Nell’universo primordiale la loro azione gravitazionale sulla radiazione di fondo e sulla formazione delle strutture doveva essere significativamente intensa. Inoltre, probabilmente, i neutrini presentavano una fluttuazione nella loro distribuzione, similmente alla radiazione di fondo.
Per quanto riguarda l’ipotesi del BoNu, quanto detto contribuisce al tipo di impronta, Specifico e Unico, dell’Universo in cui esistiamo. Ad esempio, se il numero di famiglie di neutrini fosse maggiore delle tre attualmente rilevate si produrrebbe una tipica distorsione nello spettro del fondo cosmico; un neutrino con una massa eccessiva causerebbe un diverso numero e una diversa distribuzione delle galassie(6).
Le proprietà dei neutrini influenzano ancora oggi l’evoluzione dell’universo, ma in modo diverso, essendo il neutrino il più vicino, confinante con il BoNu.
Ai nostri tempi l’energia dei neutrini cosmologici fossili è molto diminuita: essi si sono raffreddati al punto che la loro temperatura dovrebbe essere di 2 gradi Kelvin. Quindi, inferiore persino a quella della radiazione di fondo.
Oggi essi determinano il cambiamento dell’equilibrio tendendo verso una diminuzione della gravità e una maggiore espansione dell’universo, poiché rallentano la formazione delle strutture cosmologiche che risultano meno abbondanti di quello che si potrebbe prevedere con neutrini privi di massa o quasi. Sicuramente ciò si è determinato perché ormai è stabilito il tipo di Coscienza ed evoluzione nell’Universo, ossia la sua “impronta digitale” per un futuro nuovo universo, o per più universi compatibili.
Sulle proprietà dei neutrini e quindi sull’evoluzione dell’universo, rimangono numerosi interrogativi, come quelli, ad esempio, legati alla loro massa. Infatti la presenza di massa sembra implicare una violazione della simmetria della Charge-Parity (CP)(7) anche nel settore leptonico(8). L’esistenza di questo fenomeno spiegherebbe perché nell’universo si è verificato un eccesso di materia rispetto all’antimateria(9). In definitiva, come ha avuto origine la massa dei neutrini? L’eccesso della materia rispetto all’antimateria è dipesa da fenomeni legati ad essi?
Credo che l’ipotesi del BoNu possa dare una possibile risposta a tali interrogativi.
Consideriamo la particella zig come la stessa che, dopo un tuffo nel Bordo Nulla, cambia verso di rotazione, preleva energia e diviene zag. È un’altra ipotesi da studiare, che implica una valida prospettiva di esistenza del BoNu.
Le attuali conoscenze sullo spazio, sulla materia e sulla energia oscura, fanno vacillare anche il Modello Standard(10), che per me rimane un’ipotesi. A livello subatomico il neutrino zig (spin sinistrorso), che diviene zag (spin destrorso)(11), fa sperare in una prossima (nel tempo!) versione della realtà in cui siamo immersi. Il passaggio nel BoNu cambia il verso di rotazione ed energia del neutrino e lo “arricchisce” di un po’ di massa(12): speriamo non sia né una nuova ipotesi né una teoria, ma finalmente la Realtà, anche se minima come il neutrino.
Pensieri, ricordi, solo unicamente pensieri… ma le intuizioni, come vedremo più avanti con l’ipotesi dei Quattro Sistemi in interazione, sono più armoniche con la Realtà?
(1) ^ Wilson R. W. and Penzias A. A. Isotropy of Cosmic Background Radiation at 4080 Megahertz. Science, 1967, 156 (3778), 1100–1101.
(2) ^ Il Super-Kamiokande è un osservatorio di neutrini situato nella miniera di Kamioka in Giappone. Fu costruito per studiare i neutrini solari, i neutrini atmosferici, il decadimento dei protoni, e rilevare i neutrini provenienti da qualsiasi supernova della nostra galassia. Nel 1998 fornì la prima prova dell’oscillazione dei neutrini.
(3) ^ Si ipotizza che il limite inferiore sia di 0,05 eV. Vedi Lesgourgues J. Galaxies weigh in on neutrinos. Physics, 2010, 3, 57.
(4) ^ Ad esempio, il satellite scientifico COBE (Cosmic Background Explorer) della NASA aveva il compito di misurare lo spettro della Radiazione cosmica di fondo a microonde (CMBR) e di cercare eventuali disomogeneità in essa.
(5) ^ L’anisotropia è la caratteristica per cui una sostanza presenta proprietà (per esempio conducibilità termica, indice di rifrazione, modulo di allungamento, ecc.) diverse a seconda della direzione lungo la quale essa è considerata. Nel nostro caso la radiazione di fondo presenta piccole fluttuazioni termiche.
(6) ^ La simulazione al computer e il confronto statistico con l’universo reale dei due effetti sopra citati, rendono possibile stabilire i limiti cosmologici sul numero di famiglie e sulla massa totale dei neutrini.
(7) ^ Con “C’è” è indicata l’operazione che sostituisce ogni particella con la sua antiparticella (coniugazione di carica), con “P” (parità) quella di riflessione spaziale (riflessione speculare). Le ordinarie interazioni deboli sono invarianti rispetto all’operazione composta CP che possiamo paragonare a quella di uno specchio: ogni particella è riflessa nella sua antiparticella. Ogni CP invia la zig di una particella nella zag della sua antiparticella, e viceversa. Si pensa che la violazione di CP abbia determinato il corso dell’evoluzione dell’Universo (asimmetria materia-antimateria), dato che il Big-Bang iniziale ha prodotto solo un eguale quantità di materia e antimateria.
(8) ^ La famiglia dei leptoni è formata da elettroni, muoni, tauoni e i tre rispettivi neutrini.
(9) ^ Già 1967 Sacharov formulava l’ipotesi che la violazione della CP fosse necessaria per la bariogenesi (formazione di barioni, cioè protoni, neutroni e iperoni).
(10) ^ Il Modello Standard è la teoria a oggi più accreditata per spiegare i costituenti e le interazioni fondamentali della natura. Tuttavia mostra numerose incongruenze: in primo luogo non vi è posto per la gravità. Per conferire massa alle particelle si è ipotizzata l’esistenza del bosone di Higgs. Per sostenere anche teoricamente la presenza dell’Higgs, è stato necessario formulare l’ulteriore “ipotesi” delle particelle supersimmetriche. Si ritiene ormai che i neutrini abbiano massa, ma secondo il MS non dovrebbero averla. Sappiamo ormai che l’universo è dominato da energia oscura e materia oscura. Cosa sono? Nel Modello Standard non c’è risposta.
(11) ^ Viene definito zig-zag il cambiamento di spin di una particella oscillante.
(12) ^ Nel 1998 vennero presentati in Giappone, durante la conferenza “Neutrino ’98”, i risultati dell’esperimento Super-Kamiokande. Gli astrofisici del Super-Kamiokande erano riusciti a individuare per via indiretta la massa dei neutrini, scoprendo che questi ultimi si trasformavano, “oscillando” da uno stato a un altro. Tutto ciò che oscilla, dice la meccanica quantistica, è dotato di massa.