giovedì 9 ottobre 2008

ANATOMIA DI UN MICRO-BLACK-HOLE (III)


Parte terza: i micro black hole

Negli anni 80 mi ero da poco laureato presso la facoltà di fisica di Torino, il mio lavoro per quanto fosse interessante era abbastanza di manovalanza. Si trattava di analizzare i records provenienti da un gigantesco rivelatore di neutrini sotto il Monte Bianco, all'interno di un laboratorio ricavato da un garage laterale del tunnel posto in territorio francese. Di tanto in tanto facevo anche manutenzione all'apparato sperimentale e controllavo la funzionalità degli strumenti.

I neutrini sono particelle con massa estremamente piccola e non ancora esattamente nota e misurata. Normalmente vengono emessi dal Sole durante i processi di nucleosintesi di due nuclei più piccoli, principalmente di deuterio, o durante la cattura di un neutrone da parte di un nucleo. Questi due processi sono normalmente instabili, così uno o più neutroni del neo-nucleo decadono spontaneamente in protoni emettendo particelle beta negative, ovvero 1 elettrone + 1 neutrino elettronico, con il risultato di stabilizzare il nucleo residuo. La reazione di emissione avviene spontaneamente in quanto in natura tutto ciò che è instabile tende a portarsi in una condizione di equilibrio, quindi di stabilità, emettendo l'energia in eccesso. A causa della bassisima probabilità di interazione con la materia, i neutrini solari riescono ad attraversare il Sole e il globo terrestre alla velocità della luce senza interagire o quasi con la materia. Solo in rari casi i neutrini danno vita ad eventi riconoscibili negli strumenti. Così di tanto in tanto un evento ci ridava la speranza di poter vedere ciò che in realtà stavamo attendendo ormai da anni: il collasso gravitazionale di una stella.

Durante il collasso gravitazionale, il volume stellare si riduce talmente che i protoni si trovano talmente vicini agli elettroni da essere costretti a catturarli trasformandosi in neutroni: la neutronizzazione della materia è il proceso inverso a quello che abbiamo descritto per il Sole. Nella cattura di un elettrone da parte di un protone si ha l'emissione di un neutrone e di un anti-neutrino, cioè dell'antiparticella del neutrino, così dato il grande numero di protoni presenti in una stella, durante il collasso gravitazionale una grande parte dell'energia stellare viene sottratta proprio sotto forma di anti-neutrini, i quali disperdendosi nell'Universo raggiungono e investono stelle e pianeti nella galassia e oltre. Purtroppo di collassi stellari nella via lattea sono pochi; se ne attendono in media uno ogni 15 anni, allora non era detto che i neutrini emessi in un collasso ci dovessero usare la gentilezza di fermarsi proprio nel rivelatore del Monte Bianco.

A volte capitava che una manciata di neutrini solari interagisse con l'apparato regalandoci per pochi attimi la speranza, finalmente il 23 febbraio 1987 alle ore 2h 52m 36.79s di tempo universale, il computer del Monte Bianco segnò in tempo reale la registrazione di un pacchetto di 5 interazioni in 7 sec. Dai programmi di monitoraggio on-line si potè verificare che l'evento era reale. Pochi giorni dopo fu possibile ricostruire l'evento e distribuire una circolare dell'International Astronomical Union (n.4323). L'evento, attribuito alla registrazione dei neutrini emessi dalla supernova 1987A esplosa nelle Grandi Nubi di Magellano, ci aveva segnalato che un collasso gravitazionale era in atto. Successivamente, anche altri gruppi americani e giapponesi annunciarono l'osservazione di neutrini provenienti dalla stessa supernova ma con un tempo di 4.7 ore successivo a quello del Monte Bianco. Poichè allora i modelli teorici non prevedevano l'emissione di un doppio burst neutrinico, l'insieme di queste osservazioni comunque non inconsistenti tra loro dal punto di vista sperimentale, fornirono per la prima volta dati attendibili con cui confrontare le teorie sui collassi gravitazionali stellari.

In quegli anni, a Testa Grigia sopra Plateau Rosa, era in funzione un secondo osservatorio dedicato all'astronomia gamma e X, in particolare oltre all'osservazione di binarie X come Cygnus X-3 o dei residui di supernova come la Crab, si cominciava ad avere consapevolezza dell'importanza del fenomeno dei gamma-ray-bursts: fiotti di radiazione gamma brevi ed altamente energetici di origine cosmica misteriosa che venivano registrati uniformemente e rogalamente in ogni parte dell'Universo. Già nel 1974 Stephen Hawking aveva proposto l'esistenza di mini-black-hole di origine non stellare, ovvero prodotti durante le prime fasi evolutive del nostro universo. Secondo la teoria di Hawking esisterebbe un legame di proporzionalità inversa tra la radiazione emessa da questi oggetti e la loro massa. Ciò permetterebbe ai black-hole di emettere energia evaporando in modo tanto più rapido quanto più è piccola la loro massa. Dato che un black-hole stellare può essere prodotto in un collasso gravitazionale solo se la massa della stella supera le 10 masse solari, questi oggetti così piccoli, ammesso che esistano, possono essere stati prodotti solo in processi primordiali durante la prima fase evolutiva dell'Universo. L'osservazione dell'emissione neutrinica in questo caso sarebbe vana. Secondo Hawking, l'emissione energetica di questi oggetti sarebbe tipicamente di corpo nero, ovvero questi oggetti emetterebbero una radiazione che per le alte energie in gioco sarebbe luce gamma e X.

Se correliamo le circostanze che mai a seguito di un un collasso gravitazionale stellare si è osservato un fenomeno impulsivo di emissione gamma o X proveniente dalla zona di collasso e, solo raramente, in corrispondenza di un gamma-ray-burst si è osservata una controparte ottica visibile ma mai neutrinica quindi associabile ad un evento di SN certo, si deve ragionevolmente escludere la possibilità di imputare ad un evento di collasso gravitazionale stellare un gamma-ray-burst, in quanto stando alla teoria di Hawking l'evaporazione di un eventuale black-hole formatosi in conseguenza ad un collasso gravitazionale sarebbe troppo lenta per la grande massa in gioco.
Negli anni 90 cominciò ad affermarsi molto timidamente l'idea che i gamma-ray-burst potesseso anche essere prodotti proprio dall'evaporazione istantanea di microscopici oggetti primordiali. Che siano proprio i micro-black-hole?

L'analisi doppler della rotazione delle galassie, anomala rispetto a quella che ci si aspetterebbe in base alla distribuzione di massa galattica visibile, convinse molti fisici tra i quali Hawking in testa, che gran parte della materia oscura dell'Universo è concentrata negli aloni esterni delle galassie. La verifica dell'effettiva esistenza dei micro-black-hole (MBH), risolverebbe molti problemi cosmologici, anche se ne produrrebbe sicuramente dei nuovi. Infatti, secondo Hawking date le loro minuscole dimensioni sarebbero soggetti alle leggi della meccanica quantistica e non a quelle della relativita generale e della gravitazione come i black-hole stellari. Non si comprende però né come la gravità possa entrare in gioco consistentemente in un processo tipicamente quantistico senza dover ammettere a priori l'esistenza, ipotizzata ma non provata, del gravitone nel ruolo di mediatore (particella portatrice) della forza gravitazionale, né come la teoria di Hawking possa giungere a dei risultati quantistici utilizzando la teoria gravitazionale della relatività generale. La caratteristica quantistica dei micro-black-hole di Hawking sta comunque alla base della loro esistenza e possibile creazione negli esperimenti programmati all'LHC di Ginevra, anche se una ulteriore imperfezione nella teoria c'è: i MBH di Hawking date le loro piccole dimensioni sono previsti essere delle singolarità di Schwarzschild anzichè di Kerr-Newman (come dovrebbero nel caso in cui possano generarsi a partire da una coppia di protoni), quindi non sarebbero del tipo nudo, ma nascosti da un orizzonte degli eventi. Se i MBH si creassero effettivamente a energie sicuramente alte come quelle tipiche raggiungibili nell'LHC, ma tutto sommato basse rispetto a quelle necessarie alla loro formazione nella teoria gravitazionale, vorrebbe dire che la teoria dei MBH quantistici di Hawking nonostante tutto è esatta e in questo caso la loro rapida evaporazione ne impedirebbe la sopravvivenza per tempi tali da renderli pericolosi. Se invece i MBH non si formassero, ciò non sarebbe in contrasto con la loro possibile esistenza, ma solo con il modello attuale che ne prevede la formazionme a energie relativamente basse. In questo caso la loro creazione ad altissime energie sarebbe sicuramente più pericolosa, in quanto essendo questi oggetti più stabili, tanto stabili da poter essere la componente principale della materia oscura attuale, andrebbe ad interferire con il campo gravitazionale terrestre creando un possibile (ma non grande) rischio per il pianeta. Se invece si formassero ma non rispondessero alle caratteristiche previste dalla teoria, poco potremmo dire su quel che potrebbe accadere.
Dei micro-black-hole con caratteristiche simili a quelli di Hawking, ma con una dinamica differente, comparvero anche in Bridge Theory nel 1990. A differenza di quelli quantistici previsti da Hawking, questi sono oggetti neutri, privi di momento angolare, che soddisfano la soluzione di Schwarzschild. Derivando dal collasso gravitazionale di fotoni emessi sulla coda di uno spettro di corpo nero ad altissima temperatura, hanno un'origine tipicamente elettromagnetica: ovvero sono dei bosoni stabili che potrebbero evaporare emettendo luce gamma e X in tempi molto lunghi. Questi oggetti potrebbero popolare sia la nostra che altre galassie, giustificandone sia la rotazione anomala che i GRB osservati. Soprattutto perchè essendo oggetti quantistici previsti dalla Bridge Theory, sarebbero loro stessi i mediatori della forza di gravità, e del gravitone non ci sarebbe alcun bisogno. La loro formazione richiederebbe però energie possibili solo in un nuovo Big Bang. Quindi almeno per questi mostriciattoli, nessun timore al momento per la loro possibile formazione.

3 commenti:

Anonimo ha detto...

Si dice nell'articolo che i neutrini riescono ad attraversare il Sole e il globo terrestre alla velocità della luce senza interagire o quasi con la materia; come conseguenza di ciò e del fatto che essi sono sono ubiquitari si dice pure che "anche il nostro corpo è continuamente attraversato perforato da miliardi di questi minuscoli proiettili che purtututtavia non gli arrecano alcun danno. Diversamente da quanto facciamo per radiazioni di altra natura che ci piovono addosso, non abbiamo quindi alcun bisogno di proteggerci dai neutrini, ma in verità non sapremmo nemmeno come farlo visto che per essi la materia è quasi del tutto trasparente. " (http://www.cosediscienza.it/fisica/02_neutrino.htm ).

Ora, se il neutrino in pratica non interagisce con la materia come facciamo ad essere certi della sua esistenza ? Come facciamo ad essere certi che i "conteggi" nelle apposite macchienette siano imputabili ai neutrini e che non siano dovuti ad altri fenomeni ?

In breve il neutrino o intergisce o non interagisce con la materia: se non interagisce, come fa a funzionare il rivelatore di neutrini ? Ma se interagisce non si può dire che esso non interagisce ...

Max ha detto...

Ci tengo a rispondere al sig. "anonimo" in quanto nel ragionamento fatto nel suo commento c'è qualcosa di sbagliato e siccome è nostro compito spiegare, voglio chiarire il concetto di interazione e quello di particella.
In fisica moderna si parla di particelle ben sapendo che il comportamento di questi oggetti non è quello tipico di "corpuscoli" come il termine particella suggerisce. Esperimenti sulle particelle subatomiche fatte sin dagli anni 20 hanno dimostrato l'esistenza di un comportamento duale della materia: ovvero la materia subatomica si comporta come se fosse un corpuscolo quando interagisce con altra materia e come un onda quando si propaga senza interagire. Forse è questo comportamento, quello di onda, che il lettore interpreta come "ubiquità". Il neutrino ha caratteristiche ben spiegate nell'articolo " www.cosediscienza.it/fisica/02_neutrino.htm" che lo stesso autore del commento suggerisce, ma la sua esistenza non è ipotizzata, ma certa, in quanto non potrebbe essere spiegabile altrimenti la trasformazione di un neutrone in un protone ed altre reazioni che soddisfano tutte le leggi di conservazione: energia, quantità di moto, momento angolare, numero barionico, numero leptonico ed altre ancora. Inoltre esistono immagini che mostrano le tracce delle particelle in speciali camere (a bolle), in grado di visualizzare il moto delle particelle cariche nello spazio quando interagicono con la materia circostante perdendo energia. Bene le immagini mostrano come da certe interazioni prodotte da particelle invisibili (perchè neutre) emergano particelle cariche (quindi visibili) e particelle neutre non visibili
"http://teachers.web.cern.ch
/teachers/archiv/HST2001/bubblechambers
/index_files/kxilp.gif".
Nel caso dell'immagine che qui riporto, un neutrino (in basso a destra (non visibile)interagisce con un protone producendo altre particelle secondarie cariche. La carica è resa visibile da un campo magnetico che forza le particelle a girare in un senso se sono positive o in senso opposto se sono negative. Ciò che risulta dall'interazione dipende dall'energia dell'evento e dal "canale di reazione", ovvero esiste una certa probabilità in senso statistico che da una interazione neutrino + protone saltino fuori alcune particelle o altre particelle secondo uno schema prevedibile dalle condizioni dinamiche dell'evento. Il neutrino quindi esiste e se non si chiamasse neutrino si chiamerebbe in un altro modo ma il risultato non cambierebbe. Il fatto che abbia bassa probabilità di interazione (sezione d'urto) dipende si dalla sua piccola massa di cui si conosce solo un limite superiore ma anche dal fatto che un neutrino in qualità di leptone neutro risente solo della forza debole e non di altre forze. Condivido comunque che il neutrino racchiuda in se ancora qualche mistero.

Anonimo ha detto...

Grazie per la risposta