ARCHIMEDES ascolta l’energia dell’universo

di Marco Massa

 

È operativo già da un anno nel laboratorio SAR-GRAV, ospitato in Sardegna nella ex miniera di Sos Enattos a Lula (Nuoro), l’esperimento Archimedes, che esegue misure di altissima precisione sull’interazione tra la forza di gravità e le fluttuazioni quantistiche che contraddistinguono la cosiddetta energia del vuoto, ossia l’energia presente ovunque nell’universo anche quando è privo di materia.

L’esperimento consentirà anche di misurare il rumore di fondo del sito di Sos Enattos, candidato a ospitare il futuro esperimento per le onde gravitazionali Einstein Telescope. Frutto di una collaborazione guidata dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn) e alla quale hanno partecipato le università di Sassari, Federico II di Napoli e Sapienza di Roma, nonché l’European Gravitational Observatory, l’Istituto Nazionale di Ottica del Consiglio Nazionale delle Ricerche e il Centro di fisica teorica dell’Università di Marsiglia, l’esperimento Archimedes ha l’obiettivo di verificare se e in che quantità l’energia di vuoto del campo elettromagnetico, una grandezza concepita nell’ambito della teoria quantistica dei campi, determini il peso di un oggetto. Archimedes utilizzerà una bilancia super sensibile, con un braccio lungo 1,4 metri, posizionata all’interno di un criostato di grandi dimensioni. Compito dello strumento è misurare le potenziali e infinitesimali variazioni di peso indotte in due campioni di un materiale che ha la proprietà di intrappolare o espellere energia di vuoto quando viene variata la sua temperatura. Al fine di individuare le piccole variazioni di peso indotte dalle fluttuazioni quantistiche, l’esperimento ha bisogno di un ambiente estremamente silenzioso, in cui fattori esterni di natura sismica o antropica non influenzino la misura. Si pensa che tali misure possano anche contribuire a capire come varia l’energia del vuoto.

L’ESPANSIONE DELL’UNIVERSO

A questo punto occorre tornare indietro nel tempo, a partire dal 1998. Fino ad allora era convinzione diffusa che l’espansione dell’universo stesse rallentando a causa dell’azione frenante della gravità ma in quell’anno fu annunciata la scoperta che l’espansione dell’universo anziché rallentare sta accelerando; negli spazi intergalattici esiste una misteriosa entità, denominata energia oscura, che si comporta come una specie di antigravità e accelera l’espansione. Un universo che si credeva essere dominato soltanto dalla gravità è invece caratterizzato da un possente braccio di ferro fra la gravità che tende a farlo collassare e l’enigmatica energia oscura che tende a dilatarlo. Dall’esito di questa sfida dipende il destino dell’universo.

 

La miniera di Sos Enattos a Lula

 

CESSERÀ L’ESPANSIONE DELL’UNIVERSO?

L’espansione può essere arrestata solamente dalla gravità; la forza più debole presente in natura è quella a cui è legato il destino del nostro universo. La gravità è una forza attrattiva e la sua intensità dipende dalla quantità di materia presente nell’universo o, più precisamente, dalla sua densità (la quantità di materia per unità di volume). Gli astronomi hanno così definito la densità critica come la densità di materia in grado di originare una gravità esattamente sufficiente per arrestare l’espansione. Di conseguenza se la densità di materia dell’universo è inferiore alla densità critica l’espansione continuerà all’infinito; in caso contrario un giorno la gravità avrà la meglio, l’espansione si arresterà e comincerà il collasso dell’universo. Nel caso la densità dell’universo sia esattamente pari alla densità critica l’espansione continuerà all’infinito, seppure in maniera molto più lenta rispetto al caso precedente. La densità critica è pari ad un grammo per centomila miliardi di chilometri cubi di spazio, un valore che può sembrare incredibilmente piccolo per avere un qualche effetto significativo ma si tenga presente che l’universo è costituito essenzialmente dal vuoto. Si tratta allora di stimare la densità di materia dell’universo attraverso la stima della quantità di materia totale e di confrontarla con la densità critica. La quantità di materia visibile, cioè quella contenuta nelle galassie, è solo il 3% di quella che dà origine alla densità critica; questa percentuale aumenta se si tiene conto della cosiddetta materia oscura, cioè della materia non illuminata (per esempio buchi neri), che non vediamo ma sappiamo esistere. Con il contributo della materia oscura la densità di materia dell’universo arriva al 30% della densità critica. In base a questi dati l’universo sembra essere destinato ad espandersi per sempre.

ULTERIORI PROBLEMI DELLA COSMOLOGIA

1- Il primo problema riguarda il fatto che il 90% della materia presente nell’universo non solo è scura, invisibile ai nostri occhi e ai nostri strumenti, ma è anche sconosciuta. La Materia Oscura non barionica, (sono barioni i protoni e neutroni e combinazioni di questi, come gli atomi), non è costituita da oggetti compatti ma da particelle non ancora scoperte. Si ipotizza che possa trattarsi di particelle, quali neutralini, o neutrini massicci o altre particelle mai osservate e soggette solo alla forza gravitazionale e all’inte- razione nucleare debole. Queste classi di particelle, note con il nome di WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles = particelle massive debolmente interagenti), sono molto massive (100 volte più pesanti di un protone o più), ma interagiscono pochissimo con la materia.

2- Il secondo problema è ancora più intrigante e culturalmente più profondo. Se il nostro universo ha una densità critica uguale a 1, e se tutta la materia cosmica, anche quella esotica e sconosciuta, non riesce a spiegare che il 30% di questo valore, cosa contribuisce al restante 70% del peso dell’universo? Non lo sappiamo. Al momento abbiamo un’unica spiegazione possibile. A dare di gran lunga il maggiore contributo al peso dell’universo non è la materia, ma l’energia. Ma non sappiamo dove sia e cosa possa generare tanta energia. L’unica fonte plausibile capace di generare una simile quantità di energia che riusciamo a immaginare è il vuoto. Un vuoto particolare, quantistico, un vuoto che non è il nulla, ma è un vuoto attivo capace di esercitare una pressione, di generare energia, anzi di generare il 70% dell’energia cosmica. Il vuoto che esercita una pressione è certamente un’idea compatibile con la meccanica quantistica, significa che l’universo da almeno dieci miliardi di anni si sta espandendo con velocità crescente. In realtà, già nel 1998 alcuni gruppi di scienziati avevano misurato un’accelerazione crescente nel moto di espansione dell’universo. Ma quei risultati erano troppo ambigui per poter essere considerati definitivi.

RIASSUMENDO

Gli astronomi e gli astrofisici ci dicono che l’universo deve avere una certa quantità di materia/ energia e che la materia presente nell’universo, sia essa visibile che scura, copre solo il 30% di quella quantità, e quindi deve esistere una “energia oscura” che costituisce il 70% della massa cosmica. Che l’universo si sta espandendo a velocità crescente e che, responsabile di questa accelerazione, deve essere un’energia oscura capace di generare una pressione negativa e di “dare una spinta” alla materia cosmica. La pressione negativa di questa “energia oscura” deve essere di segno opposto rispetto alla forza di attrazione gravitazionale che “costringe” la materia cosmica ad attrarsi e a precipitare su se stessa. Sembra dunque che il vuoto quantistico sia la fonte di un’energia oscura che non solo sarebbe l’energia prevalente nell’universo, ma anche l’energia capace di disegnare il destino cosmico. Certo, non conosciamo ancora i meccanismi con cui il vuoto quantistico riesce a far sentire tutto il suo peso sulla scena cosmica per cui gli scienziati avranno ancora un bel po’ da fare e da studiare. Gli esperimenti e misure di Archimedes in Sardegna potrebbero contribuire a svelare il mistero dell’energia scura!

Una fase dell’esperimento Archimedes. Foto Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

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