Dal big bang ai monopoli magnetici

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Categoria:	Fisica
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DAL BIG BANG AI MONOPOLI

Da quando il fisico Paul Dirac ne ha previsto teoricamente l 'esistenza, c'и una particella che continua a sfuggire all' osservazione diretta degli scienziati. E' il monopolo magnetico, una particella primordiale che forse si и formata nei primi istanti di vita dell' universo. Trovarla oggi sarebbe la gioia di molti fisici e cosmologi, un viaggio nel passato remoto del cosmo.

Un' ipotetica particella avvicina la cosmologia alla fisica delle particelle elementari : si chiama monopolo magnetico evederla sarebbe la gioia di molti fisici. Da una parte coloro che studiano l' evoluzione dell' universo secondo la teoria del Big Bang e dall' altra chi cerca le prove per una teoria unificata che riesca a descrivere tutte le forze che agiscono su di una particella.
Ma i continui sforzi nel tentativo di produrre monopoli, cioи cariche magnetiche singole, facendo scontrare altre particelle negli acceleratori, sembrano essere vani. E questo и il senso della frase "asenza di evidenza" con cui la rivista inglese The Economist riassume i risultati delle ricerche condotte presso l' universitа di California a Berkeley dal fisico Yudong He e dai suoi collaboratori. Esito negativo hanno dato infatti cinque anni di scontri tra ioni pesanti, cioи atomi che hanno perso o acquistato un elettrone, con i quali si sperava di produrre i monopoli classici previsti teoricamente da Dirac ma mai osservati.
Stabilire che i monopoli non esistono sarebbe altrettanto importanti che scoprirli. Ma non и questa la conclusione che hanno tratto i fisici dalla lettura di questi risultati. Non sono particolarmente esaltanti, ma offrono lo spunto per cercare di capire perchи gli scienziati continuino ostinatamente le ricerche.
L' idea di monopolo magnetico nasce, come spesso succede in Fisica, per un' esigenza estetica di simmetria dell' elettromagnetismo. Poichи esiste la carica elettrica, cioи l' elettrone che genera un campo elettromagnetico, allora dovrebbe esistere anche la singola carica magnetica. Ma se si prende un magnete naturale non и possibile separare il polo negativo da quello positivo. In qualunque modo si cerchi di spezzare una calamita, anche dividendola in parti sempre piщ piccole, sino a raggiungere le dimensioni atomiche, questa presenterа sempre due polaritа.
Cosм si scopre che gli stessi atomi sono dei dipoli magnetici che presentano un polo positivo e uno negativo se immersi in un campo magnetico.
Fu Dirac a formalizzre teoricamente l' idea di una particella con carica magnetica che, non solo rendeva perfettamente simmetriche le equazioni Maxwell( che descrivono i fenomeni magnetici), ma giustificava anche perchи la carica elettrica fosse quantizzata. Un tale oggetto doveva avere una carica magnetica pari a circa 68 volte la carica elettrica ad essere per questo facilmente riconoscibile. Se infatti una carica elettrica in movimento produce un campo magnetico, un campo elettrico sarа generato da una carica magnetica accelerata.
Con opportune spire superconduttrici и possibile misurare la corrente indotta da questo campo e risalire cosм alla particella che l' ha generato, il monopolo appunto.
Giа a partire dagli anni 50, molti acceleratori di particelle ospitarono esperimenti che tentavano di produrre mononpoli. Non solo. Poichи questi oggetti possono essere intrappolati da un materiale magnetico, i monopoli vennero cercati anche sui meteoriti e sulla Luna. Ma fino ad oggi, nonostante le possibilitа di raggiungere energie sempre maggiori, acceleratori come il Fermilab di Chicago, il Pep di Stanford o il Lep del Cern, non sono riusciti a creare e osservare una carica magnetica.
Il contesto si и complicato quando, negli anni 70, l 'esitenza dei monopoli fu legata ai modelli che spiegano l' evoluzione dell' universo e alla teoria del Big Bang. E' a questo punto che la possibiltа di osservare cariche magnetiche ha cominciato ad attrarre anche i cosmologi. Una nuova prospettiva fu fornita dalle teorie di grande unificazione( Gut ) e dalle teorie supersimmetriche. Secondo queste teorie una sola forza sarebbe all' origine di tutte le interazioni possibili tra le particelle, anche se ci appare separata nelle quattro interazioni fondamentali : la forza forte, quella debole, quella elettromagnetica e quella gravitazionale. Il problema и che tale unificazione и teoricamente possibile solo ad altissima energia, dell' ordine di quella caratteristica dei primi istanti di vita dell' universo.
Secondo la teoria del Big Bang, dopo l' esplosione iniziale l' universo era piccolissimo, molto denso e caldissimo, e ogni particella si allontanava dalle altre. Questa espansione lo faceva gradualmente raffeddare, causando successive transizioni e rotture di simmetria. Per meglio comprendere il fenomeno, possiamo immaginare la superficie di un lago che, per abbassamento di temperatura, cominci a solidificare. In questo caso avviene quella che si chiama una transizione di fase, cioи un passaggio tra due stadi : da quello liquido a quello gassoso.
Se il liquido puт essere descritto da leggi fisiche simmetriche rispetto alla rotazione, quando congela e forma un cristallo, questa simmetria si rompe spontaneamente.
Inoltre, regioni diverse del lago solidificano indipendentemente, e nelle zone di confine si formano dei mucchietti di ghiaccio. Sarebbero questi agglomerati a rappresentare, nella metafora del lago, i monopoli.
E' in una simile transizione di fase, e precisamente in quella che ha portato alla separazione tra la forza forte e quella elettrodebole che, secondo i fisici teorici, si sono creati i monopoli magnetici. Queste particelle primordiali potrebbero essere sopravvissute fino ad oggi : in questo senso la loro esistenza и legata alla cosmologia. Scoprirli ora equivarrebbe ada ndare indietro nel tempo per guardare da vicino i primi istanti di vita dell' universo, ancora cosм pieno di mistero.