Esiste una chimica della materia oscura? (parte 2)

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo.

a cura di Claudio Della Volpe

(la prima parte di questo post è qui)

La letteratura precorre spesso la Scienza. In effetti fu John Milton ad usare per primo il termine di “materia oscura”; nel 1667  ne il “Paradiso perduto” :

« In questo abisso selvaggio,
Il grembo della natura e forse la sua tomba,
Né di mare, né terra, né aria, né fuoco,
Ma tutti questi al concepimento mischiati
Confusamente, e quindi sempre in conflitto,
Finché il creatore onnipotente ordini loro
Da queste oscure materie di creare altri mondi,
In questo abisso selvaggio il cauto demonio
Sta ai margini dell’inferno e intanto osserva,
Ponderando la sua traversata… »

La frase “queste oscure materie” viene ripresa nel romanzo fantasy dall’omonimo titolo, (His dark materials) scritto da Philip Pullman; in una Terra che assomiglia molto alla nostra, ma dominata da una dittatura teocratica, la fisica viene trattata come una teologia sperimentale; la “polvere”, ossia una gran massa di particelle aliene penetra nel mondo del romanzo provenendo da mondi paralleli fra cui il nostro, e queste particelle sono il vero protagonista. Esse rendono certe persone capaci di avere idee originali che mettono in crisi il potere. Ma costituiscono anche il tramite della consapevolezza, e alla fine si scoprirà che sono connesse con le “anime” dei morti.

oscura21

Il romanzo ha avuto un certo successo ed è stato anche trasformato in un film (La bussola d’Oro); il suo titolo in effetti richiama sapientemente l’idea di materia oscura che si era venuta sviluppando dai lavori della Fisica ed esprime tutto il fascino che questa scoperta provoca in noi.

Esistono altri romanzi di FS che hanno affrontato un tema analogo: La fisica del Karma (The Karma affair, Darsen Arnay, 1978), in cui le anime degli uomini sono i neutrini; nel libro si affronta il problema di chi potrà gestire i depositi di materiale radioatttivo generati dall’uso del nucleare e si conclude che solo un ordine religioso ha la possibilità di durare tanto tempo quanto serve; la teoria è che dopo la morte i neutrini tenderebbero a reincarnarsi in altri esseri viventi più e più volte. (E i neutrini sono fra l’altro effettivamente dei non-barioni come vedremo, quindi molto diversi dalla materia comune).

Nella saga letteraria dello scrittore di fantascienza italiano Valerio Evangelisti dedicata a Nicolas Eymerich, è descritta la presenza di una forma di particelle sconosciuta, dette psitroni. Tali entità sarebbero in grado di interagire con la mente umana e viceversa, rendendo difficile la misurazione del mondo subatomico, fornendo così una spiegazione fantasiosa al principio di indeterminazione di Heisenberg.

Ma, se queste sono alcune delle idee fantasiose sulla materia oscura, nella realtà di cosa è fatta effettivamente la materia oscura?

Abbiamo visto nella prima parte che non può essere costituita in modo predominante da materia comune, da quelle che i fisici chiamano particelle barioniche, ossia tutta la materia che conosciamo normalmente, costituita essenzialmente di protoni, neutroni ed elettroni (che a rigore non sono barioni), mentre col nome di materia non barionica si indica tutta quella materia (ad es. i neutrini) che non è composta da barioni: in particolare la cosiddetta materia oscura è quasi sicuramente una forma di materia non-barionica.

Attenzione: per capire bene questa cosa dobbiamo penetrare un territorio per noi chimici selvatico, ma abitato da quegli strani esseri pensanti che sono i fisici teorici, plasmatori di interi universi con foglio e matita e che hanno gentilmente aperto la strada alla Chimica già una volta, con la MQ.

I fisici teorici vedono il mondo diversamente da un Chimico; per noi l’Universo è fatto essenzialmente di materia e di luce e la materia è classificata nel Sistema periodico; per loro è fatta di un vuoto “quantistico” che non è vuoto affatto e che crea in continuazione un bestiario di particelle strane (e delle corrispondenti anti-particelle), che hanno una loro chimica ed una loro struttura, descritta dall’equivalente del Sistema periodico, una costruzione altrettanto meravigliosa, il cosiddetto Modello standard. Il Modello standard non prevede di per se la materia oscura (anche se ne prevede di fatto alcuni potenziali costituenti) e quindi le scoperte di Zwicky e di Rubin mettono in crisi anche il mondo dei fisici teorici, come riducono il nostro, di cui siamo andati orgogliosamente fieri fino a ieri, a un “misero” 4% dell’Universo.

oscura22

Nella tabella che precede l’equivalente del sistema periodico per i fisici teorici: ad ogni colore corrisponde una classe di sub-particelle che poi potranno o meno combinarsi tra di loro per dare le comuni particelle della chimica e del resto della fisica.

I barioni sono le particelle elementari costituite da tre quarks; i quarks sono oggetti veramente strani perché non esistono da soli, non potete separarli senza distruggere tutto; i mesoni sono fatti da due quarks (uno dei quali anti-); gli elettroni non sono né barioni né mesoni, ma leptoni come i neutrini ma a differenza di questi ultimi interagiscono fortemente con gli altri grazie alla forza di Coulomb; tutte le particelle fatte di quarks sono soggette anche alla forza nucleare forte (che tiene insieme il nucleo dell’atomo nonostante le cariche elettriche dei protoni) e si chiamano adroni.

Adroni === barioni (tre quarks) e mesoni(due quarks)

Non si conoscono al momento particelle fatte da più di tre quarks. In quest’altro schema vediamo come sono correlate le varie classi di sub-particelle e come interagiscono.

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A destra e sinistra i leptoni e i quarks, gli attori base che “interagiscono” scambiandosi particelle denominate bosoni, fotoni e gluoni. Quando interagiscono cosituiscono il bestiario delle particelle più comuni che conosciamo, fra cui protoni e neutroni e sui cui è basato (anche) il mondo del 4%, ossia il mondo della Chimica.

C’è una ulteriore complicazione; questa rappresentazione delle cose non mostra le antiparticelle, che sono eguali alla particelle già indicate ma hanno una carica elettrica opposta; dell’antimateria, di cui sono state prodotte recentemente piccole quantità in laboratorio (qualche migliaio di atomi di antiidrogeno, nucleo di antiprotoni e una nuvola di positroni, che sono stati immobiizzati in una speciale trappola per un quarto d’ora (http://www.scientificamerican.com/article/antiatoms-alpha-1000-seconds/)) si sa poco, c’è perfino il dubbio che possa essere respinta piuttosto che attratta dalla forza di gravità; ma rimane che non può essere responsabile della materia oscura; la materia oscura coesiste tranquillamente con la materia normale, mentre l’antimateria reagisce violementemente con essa producendo energia radiante, raggi gamma e questo avviene continuamente attorno a noi; dai satelliti si vede che nell’atmosfera terrestre si producono lampi di radiazione gamma che verosimilmente provengono dagli intensi campi elettrici presenti nelle tempeste che possono funzionare come giganteschi acceleratori naturali e produrre anche antiparticelle, che poi si annichilano con la materia ordinaria.

Quindi l’antimateria è esclusa, non può essere lei la materia oscura, troppo diversa e presente in troppo poca quantità; il che fra l’altro è un ulteriore mistero in quanto secondo le teorie del Big Bang la materia e l’antimateria sono state prodotte in uguale quantità all’epoca del Big Bang e quindi che fine ha fatto l’antimateria? Mistero.*

Torniamo ai barioni. I barioni più comuni sono appunto i costituenti del nucleo, protoni e neutroni, la cui massa dell’ordine di una unità di massa atomica. I fisici, seguendo il suggerimento di Einstein tengono conto che la massa della particelle è equivalente ad una certa quantità di energia; la equazione più famosa di Einstein:

E=mc2

può essere usata per misurare la massa delle particelle nella loro energia equivalente; la massa di una particella sarà quindi espressa in unità di Energia/il quadrato della velocità della luce, m=E/c2;

dato che la velocità della luce è una costante universale, ci si può ridurre a considerare la massa come se fosse espressa in unità di energia (anche se in realtà l’unità da considerare è energia/velocità2).

La unità di misura tipica dell’energia delle particelle è l’elettronvolt, che corrisponde all’energia accumulata in un elettrone, la cui carica e massa sono a loro volta costanti, quando sottoposto ad un potenziale elettrico di 1V; dato che come ricordato la volta scorsa un potenziale è una energia diviso una carica abbiamo=

1 eV= 1V x 1.602176565 x 10-19C =

1J/1 C x 1.602176565 x 10-19C = 1.602176565 x 10-19J per l’energia in Joules di un elettrone di 1eV ed una mole di elettroni di 1 eV corrisponderà ad una energia di 6.023 x 1023 x 1.602176565 x 10-19C, quindi 96485.33 J.

Questo numero (senza unità di misura) “magico” è anche il rapporto fra un Faraday ed un Coulomb.

Su questa nuova scala un protone o un neutrone hanno una massa rispettivamente di 938.28 e di 939.565   MeV/c2 abbreviato MeV (1 MeV=1 milione di eV)mentre nella unità tradizionale del chimico (unità di massa atomica, uma) le due masse sarebbero di 1.007 e 1.008. L’elettrone ha una massa di soli 0.510 MeV, circa 1/2000 di uma.

Esistono particelle elementari molto pesanti; il famoso bosone di Higgs, recentemente scoperto, ha una massa di quasi 126 GeV (1GeV=1 miliardo di eV), pari a 135 uma, quindi da sola pesa fra un atomo di Cesio ed uno di Bario o quasi quanto una molecola di benzene!

Invece un neutrino, che è un non-barione che conosciamo bene, prodotto nelle reazioni nucleari nel Sole, pesa solo 0.05 eV; questa massa è così piccola (circa 10 milioni di volte inferiore a quella dell’elettrone) che non riuscirebbe a risolvere il problema della massa mancante nelle galassie.

E quindi esistono altre particelle che costituiscono la materia oscura.

Per accettare la nuova venuta però il Sistema periodico e il Modello standard devono fare i conti con una nuova costruzione ancora più gigantesca e grandiosa, la Supersimmetria.

Per capire di cosa stiamo parlando occorre ritornare alle tabelle del Modello Standard e operare una nuova classificazione: i leptoni e i quark sono anche fermioni.

In pratica la proprietà di obbedire o meno al principio di esclusione di Pauli (cosa che dipende dallo spin, dal momento magnetico intrinseco, se sia intero o semi-intero) si traduce matematicamente nel fatto che i bosoni seguono la statistica di Bose-Einstein mentre i fermioni la statistica di Fermi-Dirac.

Per i non chimici questo vuol dire che i bosoni si comportano come un branco di pecore, tendono ad essere tutti eguali ad andare tutti insieme, mentre i fermioni devono essere tutti diversi, e si comportano invece come le persone che entrano a sedersi in uno scompartimento di treno e si siedono ciascuna lontana dall’altra.

Le conseguenze più tecnicamente sono che bosoni e fermioni presentano proprietà diverse di simmetria sotto lo scambio di due particelle: un sistema composto di particelle identiche della classe bosonica si trova sempre in uno stato globale completamente simmetrico sotto lo scambio di due particelle, mentre un sistema composto di fermioni identici, al contrario, si trova sempre in uno stato anti-simmetrico sotto lo scambio di due fermioni. La funzione d’onda totale di un sistema costituito da fermioni identici è perciò completamente antisimmetrica e cambia segno sotto lo scambio di due fermioni qualsiasi.

Bene, la SuperSimmetria o SuSy è una teoria di simmetria secondo la quale ad ogni fermione e ad ogni bosone corrispondono rispettivamente un bosone e un fermione di uguale massa e quindi al modello standard SuSy sostituisce un panorama raddoppiato:

oscura24

In pratica il panorama dell’Universo apparirebbe un po’ come nel seguente:

oscura25

 

Particelle oscure con una massa pari a quella di grossi atomi e pesanti molecole potrebbero essere con voi nella vostra stanza o perfino dentro di voi.

Dice la pagina del CERN (http://home.web.cern.ch/about/physics/dark-matter):

“Dark matter candidates arise frequently in theories that suggest physics beyond the Standard Model, such as supersymmetry and extra dimensions. One theory suggests the existence of a “Hidden Valley”, a parallel world made of dark matter having very little in common with matter we know. If one of these theories proved to be true, it could help scientists gain a better understanding of the composition of our universe and, in particular, how galaxies hold together.”

Uno dei candidati più accreditati per questo scopo è il cosiddetto neutralino, una particella non- barionica particolarmente stabile in cui tutte le altre ricadrebbero, di massa pari a circa 10-100 GeV, quindi fra la massa del Boro e quella del Rutenio. Tale particella non è stata ancora individuata, ma potrebbe esserlo presto. Questa particella avrebbe una sezione di interazione con la materia ordinaria e quindi potrebbe “reagire” sia pur debolmente con essa; una interazione che non avverrebbe attraverso le forze cui siamo abituati ma attraverso la cosiddetta “forza debole”, che è comunque una delle 4 interazioni fondamentali, insieme con gravità, elettricità, forza “forte”, quella che tiene insieme i nucleoni del nucleo atomico.

Secondo la SuSy esistono altre particelle analoghe e capaci di interagire, sia pur debolmente, anche fra di loro; tutte sono collettivamente chiamate WIMP, ossia Weakly Interacting Massive Particles; se tale interazione esiste allora esisterà una “chimica” di queste particelle della materia non barionica che comunque sono ampiamente agglomerate nelle galassie ordinarie e quindi anche nella nostra galassia.

Formeranno esse dei composti o rimangono sempre isolate o invece associate solo dalla forza di gravità? In realtà non lo sappiamo ancora, esistono solo ipotesi a riguardo, ma teniamoci pronti, perché potremmo essere costretti a ricominciare daccapo e a scoprirne il comportamento quanto prima.

Più informazioni qui (http://cdms.berkeley.edu/posters/edu-poster.jpg) o qui http://home.web.cern.ch/about/physics/dark-matter

http://www.lnf.infn.it/edu/stagelnf/2012/delduca_sm2012.pdf

(continua)

*************************************************************************************************

*L’antimateria è il risultato della simmetria dell’Universo; se si invertisse la carica, la chiralità e il tempo si avrebbe un Universo indistinguibile dall’originale (la cosiddetta simmetria CPT). Questo in realtà è la proprietà che corrisponde allo scorrere indietro nel tempo dell’antimateria.

4 thoughts on “Esiste una chimica della materia oscura? (parte 2)

  1. Un bellissimo articolo che attraverso una sintesi chiara ed efficace sullo stato della fisica delle particelle offre un panorama di scoperte e problemi irrisolti avvincente anche per i chimici che spesso non si sentono a loro agio in queste tematiche

  2. Caro Claudio Della Volpe,

    ho letto con grande interesse e molta attenzione i suoi post sulla materia oscura, aiutato in questo anche dalla lettura di “Sette brevi lezioni di Fisica” di Carlo Rovelli.
    Ho il massimo rispetto per la Fisica e per i fisici che hanno in generale una mentalità molto più aperta dei chimici.
    Tuttavia non vorrei che si cadesse ancora una volta nel riduzionismo (come invece traspare da un paio di passi nei suoi post e nelle “brevi lezioni” di Rovelli), cioè nel ritenere che la chimica della materia normale sia compresa nella MQ. L’idea riduzionista nasce, per quanto ne so, da una frase attribuita a P.A.M. Dirac secondo cui: “tutta la chimica è compresa nell’equazione di Schroedinger”,
    In realtà i fondamenti della Chimica (la più “giovane” fra le Scienze della Natura) e i suoi procedimenti sperimentali erano già stati precisati nella seconda metà del IXX secolo, molto prima dell’avvento della MQ (v. ad es. L. Paoloni, Nuova Didattica della Chimica, Bracciodieta, Bari, 1982, pp. 20-21 e succ.), dando a essa il carattere di disciplina autonoma. I chimici dell’800 e dei primi anni del ‘900 erano quindi in grado di stabilire la struttura e la composizione dei corpi materiali naturali e di sintesi con metodi essenzialmente chimici (v. ad es. G. Rosini in: “Ciamician profeta dell’energia solare”, Atti del convegno storico-scientifico, Bologna, 2007, pp. 83-98 e G. Nasini, ibid, pp. 113-124).
    Certamente le applicazioni pratiche della MQ permettono oggi ai chimici di identificare con relativa semplicità e in tempi molto più rapidi la struttura dei corpi materiali. Tuttavia provate a chiedere a un chimico organico sintetista se per sintetizzare e purificare un nuovo composto con una certa resa basta risolvere una o più equazioni d’onda. Vi risponderà (ridendo) che le cose non stanno affatto così, occorre un paziente lavoro in laboratorio con procedimenti e tecniche chimiche.
    Purtroppo nei nostri attuali corsi di laurea in chimica si sta perdendo questo valore aggiunto, la sensibilità chimica, sicchè il laureato chimico saprà ad es. cosa è il funzionale densità, ma se gli viene chiesto come fare a distinguere il cloruro dal cianuro di sodio forse non saprà rispondere (o cercherà di risolvere il problema per via computazionale…con tutto il rispetto).
    Per tornare al riduzionismo, anche un Premio Nobel per la Fisica può sparare, a volte, una minchiata con risultati, ahimè, devastanti.

    Rinaldo Cervellati

    P.S. Ovviamente …ci sono molte cose in Cielo e in Terra, Orazio…

    • Il collega Cervellati mette il dito su un problema enorme e fa bene; mi spiace di aver dato l’impressione di considerare la Chimica una semplice applicazione della MQ; le cose stanno diversamente secondo me.
      La realtà è talmente complessa che nel suo studio noi usiamo degli approcci semplificati o come si dice euristici; ossia suddividiamo il problema in sottoproblemi e poi ciascuno di questi a sua volta e così via fino ad addivenire ad una struttura fortemente intercorrelata di idee e concetti, fra i quali le relazioni sono spesso ancora complicate, ma più aggredibili e nel far ciò tagliamo alcuni aspetti o saltiamo alcune relazioni.
      La Chimica è una gigantesca procedura euristica, una delle migliori e più efficienti procedure euristiche mai sviluppate per appropriarsi dei processi della materia comune, una procedura che attraverso l’uso del fuoco ci è stata lasciata in eredità (nelle sue primissime fasi) nientepopodimenochè da Homo Erectus.
      La sua differenza dalla Meccanica Quantistica è molteplice; la MQ è un approccio sostanzialmente deduttivo, mentre la Chimica è un approccio a due vie, originariamente induttivo, si è talmente esteso da comprendere poi molti approcci deduttivi. La MQ è una teoria matematica che è almeno in linea di principio in grado di analizzare qualunque problema legato alla materia comune, ma la quantità di calcoli da fare è enorme; nella terza parte del mio post sulla materia oscura ancora in scrittura cercherò di mostrare come ragiona un fisico teorico usando i diagrammi di Feynman che sono semplicemente dei modi euristici di affrontare il problema delle numerosissime strade con cui un processo evolve.
      Si possono fare molti esempi analoghi; per esempio le procedure che vanno sotto il nome di “connettività molecolare” che sono procedure che usano solo alcune informazioni in forma matriciale riguardanti la struttura molecolare e sono una sorta di minichimica semplificata per esempio ( JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE 2006 , p. 292 -308, v. 296); oppure le regole di Hammett, la equazione di Drago, le cosiddette LFER sono tutti approcci euristici applicati a settori ristretti, un matematico a ragione potrebbe dire che sono tutte forme dedotte dall’espansione di Taylor troncata applicata alla Chimica delle reazioni organiche o dell’adesione o della calorimetria(JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE 2004, p. 434 -453 , v. 271 , 2) ; il chimico ne potrebbe rivendicare la totale autonomia concettuale, ma la questione è complessa. Ovviamente le regole di Hammett non sono venute fuori dal teorema di Taylor, ma d’altra parte se ne può tracciare la discesa in modo esatto e logico se si vuole.
      Un esempio analogo potrebbe essere la relazione fra la relatività da una parte e la calorimetria e la gravimetria dall’altra; l’equazione dell’equivalenza massa energia taglia la testa al toro; se avessimo una microbilancia a 25 cifre potremmo fare a meno della calorimetria e fare solo pesate per qualunque reazione o processo chimico o chimico-fisico; non avendola però ci siamo ridotti ad un interessantissimo processo euristico denominato calorimetria e che è una delle basi della termodinamica. La calorimetria è forse una applicazione della gravimetria e della relatività? ovviamente no è autonoma.
      Tuttavia SE avessimo o quando avremo una tale megagalattica microbilancia, o quando avremo una potenza di calcolo in grado di risolvere sistemi a miliardi e miliardi di atomi e molecole in pochi secondi le cose potranno essere diverse; fino a dieci -15 anni fa non c’erano riproduzioni della tensione superficiale dell’acqua da metodi microscopici adesso si.
      Fra l’altro nell’applicare questa procedura euristica generale alla Natura abbiamo anche linearizzato tutto, mentre la Natura è spesso non lineare, inventato alcune potenti idee come la causa/effetto che ci hanno stravolto la visione delle cose; oggi l’informatica ha tra l’altro riscoperto la retroazione, ossia l’effetto che diventa causa e la causa che diventa effetto; una cosa che la filosofia settecentesca di Hegel chiamava dialettica (e che i maestri artigiani avevao applicato al controllo dei mulini a vento già nel medioevo…….).
      Tuttavia l’effetto che Cervellati denuncia soprattutto nella didattica è vero, verissimo.
      C’è la rinuncia ad esercitare l’euristica in cambio della promessa di poter fare tutto con la deduzione della MQ; ma ci sono ancora troppe pagnotte da mangiare a questo fine; Cervellati ha ragione.
      Dato che sono un comunistaccio ricordo un grande pezzo di Marx che si chiama Introduzione del 57 nel quale Marx affronta proprio il problema della relazione fra i due modi di esaminare la realtà: nella ricerca, induttivo, dal particolare al generale e nella didattica o nella teoria dal generale al particolare; e fa veder che i due metodi devono vivere insieme, come dialettica sintesi dei modi in cui l’uomo si appropria della Natura (nella sua testa).
      La deformazione o se volete la polarizzazione deduttiva della didattica ha quindi una lunga storia e dovrebbe essere affrontata con robuste dosi di …….esercizi euristici. Perchè al momento non possiamo rinunciare nè all’una nè all’altra delle due strade.

  3. Pingback: “L’Universo è fatto di storie non di atomi”. | il blog della SCI

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