Storia termica dell'universo

Storia Termica dell'Universo

La teoria del Big Bang è fondamentalmente una descrizione termodinamica dell'espansione cosmica.

Il parametro fondamentale che controlla i processi fisici (interazioni tra materia e radiazione) durante i primissimi istanti dell'universo è infatti la temperatura. La temperatura determina il tipo di particelle che si formano dall'energia liberata durante le collisioni.

Affinché una particella di massa m si formi assieme alla sua antiparticella è infatti necessario che la temperatura superi un valore di soglia calcolabile eguagliando l'energia cinetica media con l'energia della massa a riposo della particella

55) kT = mc²

Quindi quando la temperatura scende al di sot­to^­ del valore critico:

56) T_c = = 10 ³⁶ m

la particella di massa m cessa di essere creata da fotoni sufficientemente energetici. Tutte le coppie di particelle e antiparticelle create subiscono un processo di annichilazione, ridando fotoni, tranne un piccolo eccesso di particelle che rimane 'congelato' a formare la materia dell'universo.

Per esempio, sostituendo ad m la massa di un protone (o un neutrone), pari a circa 10 g si ottiene una temperatura di circa 10 ^oK. Dunque al di sopra di tale temperatura si formano protoni e antiprotoni da fotoni sufficientemente energetici, al di sotto la produzione si arresta e continua solo il processo di annichilazione.

Tali soglie vengono verificate, fin dove è possibile negli esperimenti con acceleratori ad alta energia.

Dato che la temperatura dell'universo aumenta  risalendo nel tempo verso l'istante zero, possiamo immaginare che vengano via via raggiunte tutte le soglie termiche per la produzione di particelle di massa via via maggiore.

In tal modo i primi istanti dell'universo sono stati suddivisi in una successione di ere, ciascuna separata dalla precedente da una soglia termica che individua particolari eventi cosmici.

Durante la loro produzione le particelle risultano in equilibrio con la radiazione fotonica. In altre parole essendo l'universo in equilibrio termodinamico anche durante l'espansione tutta l'energia disponibile si suddivide equamente tra particelle materiali e fotoni (principio di equipartizione dell'energia). L'equilibrio termodinamico dell'universo è consentito dal fatto che in queste prime fasi il ritmo delle interazioni materia/radiazione è notevolmente più elevato del ritmo di espansione dell'universo stesso.

Nelle sue prime fasi l'universo è costituito quindi da un plasma in cui materia e radiazione sono indissolubilmente unite ed in equilibrio reciproco. I fisici descrivono tale condizione affermando che esiste un  accoppiamento materia-radiazione.

Gli elettroni hanno un ruolo determinante nel mantenere l'accoppiamento materia-radiazione che sta alla base dell'equilibrio termodinamico. essi infatti assorbono ed emettono facilmente fotoni e contemporaneamente sono in grado di trasferire ed accettare energia cinetica dagli adroni urtandoli.

Per poter descrivere la storia termica dell'universo è indispensabile possedere uno schema generale della struttura della materia e delle forze naturali alle quali essa è sottoposta.

Particelle ed Interazioni fondamentali

Attualmente si ritiene che esistano 2 tipi di particelle materiali elementari (non composte da altre particelle): Quark e Leptoni.

Si conoscono 6 Quark e 6 Leptoni, comunemente raggruppati in 3 famiglie, ciascuna contenente due Quark e due Leptoni secondo il seguente schema (la massa è espressa in MeV (1 MeV = 10 eV) e la carica elettrica come frazione della carica unitaria dell'elettrone)

I famiglia II famiglia III famiglia

nome sigla carica massa nome sigla carica massa nome sigla carica massa

up u +2/3 310 charm c +2/3 1500 top t +2/3 22500

QUARK

down d -1/3 310 strange s -1/3 505 bottom b -1/3 5000

elettrone e -1 0,511 muone m -1 106,6 tauone t -1 1784

LEPTONI

neutrino n_e 0 0 (?) neutrino n_m 0 0(?) neutrino n_t 0 0 (?)

(elettron.) (muonico) (tauonico)

La prima famiglia va a costituire la materia ordinaria con la quale è costruito l'intero universo materiale dagli atomi alle galassie. Le rimanenti due famiglie sono costituite da particelle instabili che si formano attualmente solo in condizioni termodinamiche particolari (ad esempio nei grandi acceleratori di particelle) e si trasformano (decadono) rapidamente nelle particelle stabili della prima famiglia.

Ciascuna delle 12 particella presenta inoltre la sua antiparticella che si distingue solo per avere carica elettrica opposta. Le antiparticelle vengono rappresentate con il simbolo della particella con una barretta sopra. Ad esempio l'elettrone (e o e ) ha come antiparticella l'antielettrone o positrone () a volte indicato con e

A differenza dei Leptoni, i Quark non esistono liberi in natura, ma si aggregano a gruppi di 2 o 3. Le particelle composte da 3 Quark sono chiamate barioni, quelle composte da 2 Quark sono dette mesoni. Barioni e mesoni costituiscono un unico gruppo di particelle note come adroni.

Gli unici due barioni stabili nelle attuali condizioni termiche dell'universo sono il protone (duu) formato da due Quark up ed un Quark down e il neutrone (ddu) formato da un quark up e due Quark down.

La carica elettrica degli adroni si ottiene come somma algebrica della carica elettrica dei singoli Quark che li compongono. Non esistono adroni con cariche elettriche frazionarie. I mesoni si formano dall'unione di un Quark e di un Antiquark. Ad esempio il pione negativo p presenta la seguente struttura

I barioni possiedono tutti spin semintero e sono perciò fermioni (ubbidiscono al principio di esclusione di Pauli), mentre i mesoni presentano spin intero e sono perciò bosoni (non ubbidiscono al principio di esclusione di Pauli).

Quark e Leptoni interagiscono attraverso 4 tipi di forze fondamentali. Anche le forze o interazioni vengono attualmente descritte attraverso teorie quantistiche. Ciò significa che quando due particelle materiali interagiscono tramite una delle quattro forze di natura lo fanno scambiandosi un quanto di forza. I quanti associati alle quattro forze di natura possono a tutti gli effetti essere considerati come particelle portatrici di forza (vettori di forza).

Le particelle che mediano le interazioni sono tutte bosoni (bosoni intermedi).

interazione quanto spin carica elett.

gravitazionale gravitone (ipotetico) 2 0

elettromagnetica fotone 1 0

forte (di colore) 8 gluoni 1 0

debole 3 bosoni deboli

W⁺ 1 + 1

W^- 1 - 1

Z° 1 0

L'interazione gravitazionale è una forza puramente attrattiva che agisce tra corpi dotati di massa tramite scambio di gravitoni. La descrizione quantistica di tale interazione non è ancora soddisfacente.

L'interazione elettromagnetica è una forza che agisce sia in modo attrattivo che repulsivo tra particelle dotate di carica elettrica tramite scambio di fotoni. Esistono due tipi di carica elettrica, convenzionalmente indicati come positiva e negativa.

L'interazione forte agisce tra i Quark tramite scambio di 8 gluoni, mantenendo legati i Quark all'interno degli adroni. Esistono 3 tipi di carica di colore, convenzionalmente indicata come rossa, verde e blu. I 3 Quark all'interno di un barione presentano ciascuno una diversa carica di colore. Allo stesso modo in cui una carica elettrica positiva ed una negativa si neutralizzano, anche le tre cariche di colore all'interno di un barione si neutralizzano (si dice che il barione è bianco).

I mesoni presentano un quark di un colore ed un antiquark del rispettivo anticolore (antirosso = ciano; antiverde = magenta; antiblu = giallo), in modo che anch'essi si presentano globalmente neutri (bianchi) per quanto riguarda la carica di colore.

I leptoni non possiedono carica di colore e su di essi non agisce pertanto l'interazione forte.

L'interazione debole è alla base di tutti i processi tra particelle in cui sono coinvolti neutrini. Sia quark che leptoni presentano carica debole. In tutte le reazioni di interazione debole sono coinvolti 4 fermioni.

Il decadimento del neutrone è una tipica interazione debole mediata dal bosone W

I bosoni deboli elettricamente carichi (W e W ) sono in grado di trasformare i Quark l'uno nell'altro secondo il seguente schema

Così il decadimento beta del neutrone deve essere interpretato come una trasformazione di un Quark d in un Quark u per emissione di un bosone debole W il quale decade poi in un elettrone e in un antineutrino elettronico

In modo analogo i leptoni possono trasformarsi l'uno nell'altro per interazione debole secondo il seguente schema

Ad esempio il muone decade in un elettrone, un neutrino muonico e in un antineutrino elettronico secondo la seguente reazione

Le 4 interazioni fondamentali presentano ovviamente una diversa intensità (o adesività).Tali differenze tendono però ad annullarsi con l'aumentare della temperatura.

L'intensità dell'interazione debole e di quella elettromagnetica diventano ad esempio paragonabili ad una temperatura di circa 10 °K, che corrisponde ad una energia cinetica media () delle particelle di circa 10 eV.

L'ipotesi che l'interazione debole e l'interazione elettromagnetica potessero essere a tutti gli effetti indistinguibili ed unificarsi a tali energie ha trovato una conferma sperimentale nel 1983 ad opera dell'équipe del CERN guidata da C. Rubbia.

Al di sopra di 10 °K non ha quindi più senso distinguere fotoni e bosoni deboli e sarebbe più opportuno parlare di un unico tipo di vettori intermedi, i bosoni elettrodeboli che trasportano un'unica forza elettrodebole unificata.

Anche se non è ancora stato possibile effettuare una verifica sperimentale, pochi scienziati hanno oggi dei dubbi che anche l'interazione forte possa unificarsi con l'interazione elettrodebole. Vi sono diverse teorie che prevedono tale unificazione al di sopra di 10 °K (10 eV) e che sono note come Teorie di Grande Unificazione (GUT).

Secondo la più semplice di tali teorie (SU5) al di sopra di tale temperatura risultano stabili 24 bosoni vettori intermedi, noti come bosoni X che trasportano un'unica forza grandunificata. Lo scambio di tali bosoni tra Quark e Leptoni trasforma gli uni negli altri. Sopra tale temperatura non avrebbe nemmeno più senso distinguere tra Quark e Leptoni che vengono spesso indicati come lepto-quark.

Al di sotto di tale temperatura 12 bosoni X decadono negli 8 gluoni e nei 4 bosoni elettrodeboli, mentre gli altri 12 bosoni X decadono in quark e leptoni stabili.

Esistono infine ipotesi teoriche, sulle quali non vi è ancora sufficiente convergenza da parte degli specialisti, che prevedono una completa unificazione di tutte e 4 le forze a 10 °K (10 eV). Tra queste sollevano particolare interesse tra i fisici le teorie supersimmetriche (SUSY) che prevedono che sopra una certa temperatura anche fermioni e bosoni diventino indistinguibili. Secondo tali teorie ogni particella elementare nota dovrebbe essere associata ad una particella supersimmetrica (superpartner) che differisce, oltre che per la massa molto elevata solo per mezza unità di spin. Così tutti i fermioni avrebbero dei bosoni per superpartners e viceversa. I fermioni supersimmetrici (tutti con spin 1/2 tranne il gravitino con spin 3/2) vengono indicati aggiungendo la desinenza -ino al nome del loro partner normale (fotino, gluino, Wino, Zino, gravitino), mentre i bosoni supersimmetrici (tutti con spin zero) vengono indicati anteponendo il prefisso s- al nome dei loro partners normali (selettrone, sneutrino, squark).