s at a ica Teoria del Big Bang Teoria inflazionaria Energia Oscura

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1 INFLAZIONE DELL'UNVERSO E BOSONE DI HIGGS Claudio Firmani UNAM-INAF

2 ELEMENTI STORICI <1916 Concezione statica dell Universo (paradosso di Olbers) 1916 Teoria del Big Bang (Relatività Generale) espansione inerziale (Hubble) geometria indeterminata (euclidea e non) nucleosintesi primordiale (abbondanze e MBR) 1980 Teoria inflazionaria (congettura dell inflatone) esplosivo per la propulsione iniziale geometria euclidea isotropia e omogeneità globali dominio della materia oscura formazione delle strutture (galassie, ammassi) età troppo breve (<10 Gyr) 1996 Dominio dell Energia Oscura esplosivo per la propulsione attuale ( Gyr) età corretta

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4 Planck

5 Planck

6 TEORIA DEL BIG BANG 1916, basata nella Teoria Generale della Relatività prevede una espansione cosmica L espansione cosmica è confermata da Hubble nel , Teoria della Nucleosintesi Primordiale spiega la formazione primordiale degli elementi (D, He ) prevede l esistenza di una radiazione cosmica di fondo La radiazione cosmica di fondo è confermata nel 1964

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8 Un ospite inatteso: la materia oscura Nelle galassie e negli ammassi di galassie esiste un eccesso di attrazione gravitazionale rispetto all attrazione prodotta dalla materia luminosa, questo eccesso viene associato alla presenza di una materia oscura Per molti anni il ruolo della materia oscura è rimasto sconosciuto Oggi si è capito che questo ruolo è stato cruciale per la formazione delle galassie, delle stelle, dei pianeti e quindi della vita

9 Un ospite inatteso: la materia oscura Nelle galassie e negli ammassi di galassie esiste un eccesso di attrazione gravitazionale rispetto all attrazione prodotta dalla materia luminosa, questo eccesso viene associato alla presenza di una materia oscura Per molti anni il ruolo della materia oscura è rimasto sconosciuto Oggi si è capito che questo ruolo è stato cruciale per la formazione delle galassie, delle stelle, dei pianeti e quindi della vita

10 Geometria

11 Omogenità della radiazione cosmica di fondo

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13 SUCCESSI Espansione dell Universo TEORIA DEL BIG BANG Nucleosintesi primordiale e abbondanza pregalattica di He Radiazione cosmica di fondo DIFFICOLTÁ Disomogeneità della materia e formazione delle galassie Omogenità della radiazione cosmica di fondo Geometria euclidea Causa all origine del Big Bang Incompatibilità con la teoria unificata della fisica

14 SUCCESSI Espansione dell Universo TEORIA DEL BIG BANG Nucleosintesi primordiale e abbondanza pregalattica di He Radiazione cosmica di fondo DIFFICOLTÁ Disomogeneità della materia e formazione delle galassie Omogenità della radiazione cosmica di fondo Geometria euclidea Causa all origine del Big Bang Incompatibilità con la teoria unificata della fisica Queste difficoltà possono essere risolte in base ad un ipotetico esplosivo INFLATONE che indusse la grande esplosione

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17 TEORIA INFLAZIONARIA DELL UNIVERSO SUCCESSI Espansione dell Universo Nucleosintesi primordiale e abbondanza pregalattica di He Radiazione cosmica di fondo SUCCESSI Disomogeneità della materia e formazione delle galassie Omogenità della radiazione cosmica di fondo Geometria euclidea Causa all origine del Big Bang Incompatibilità con la teoria unificata della fisica L esplosivo dovrebbe agire prima che la temperatura scenda sotto GeV (10-34 s)

18 DAL PUNTO DI VISTA MATEMATICO L ESPLOSIVO NELLA TEORIA GENERALE DELLA RELATIVITA E UN CAMPO CON PRESSIONE INTERNA NEGATIVA SE NELLA MATERIA LA GRAVITAZIONE GENERA UNA FORZA ATTRATTIVA NELL ESPLOSIVO LA GRAVITAZIONE GENERA UNA FORZA REPULSIVA EINSTEIN FU IL PRIMO A INTRODURLO COME TERMINE COSMOLOGICO

19 ESISTE ATTUALMENTE QUALCHE RESIDUO DI ESPLOSIVO PRIMORDIALE?

20 ESISTE ATTUALMENTE QUALCHE RESIDUO DI ESPLOSIVO PRIMORDIALE? LE OSSERVAZIONI ASTRONOMICHE DIMOSTRANO CHE ATTUALMENTE L UNIVERSO STA RICEVENDO UNA SPINTA ESPANSIVA

21 ESISTE ATTUALMENTE QUALCHE RESIDUO DI ESPLOSIVO PRIMORDIALE? LE OSSERVAZIONI ASTRONOMICHE DIMOSTRANO CHE ATTUALMENTE L UNIVERSO STA RICEVENDO UNA SPINTA ESPANSIVA UNA SPECIE DI ESPLOSIVO OGGI ESISTE!

22 ESISTE ATTUALMENTE QUALCHE RESIDUO DI ESPLOSIVO PRIMORDIALE? LE OSSERVAZIONI ASTRONOMICHE DIMOSTRANO CHE ATTUALMENTE L UNIVERSO STA RICEVENDO UNA SPINTA ESPANSIVA UNA SPECIE DI ESPLOSIVO OGGI ESISTE! ESPLOSIVO PRIMORDIALE INFLATONE ESPLOSIVO ATTUALE ENERGIA OSCURA

23 NÉ LA MATERIA OSCURA NÉ L INFLATONE-ENERGIA OSCURA SONO STATI FINORA IDENTIFICATI LA LORO PRESENZA È STATA SCOPERTA MEDIANTE L AZIONE GRAVITAZIONALE DA ESSI ESERCITATA MA QUALE E LA LORO NATURA FISICA?

24 NÉ LA MATERIA OSCURA NÉ L INFLATONE-ENERGIA OSCURA SONO STATI FINORA IDENTIFICATI LA LORO PRESENZA È STATA SCOPERTA MEDIANTE L AZIONE GRAVITAZIONALE DA ESSI ESERCITATA MA QUALE E LA LORO NATURA FISICA? LA FISICA DELLE PARTICELLE ELEMENTARI DOVRÀ DARE RISPOSTA A QUESTI MISTERI

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26 PARTICELLE ELEMENTARI Particelle subatomiche fotone elettrone protone (composto) neutrone (composto) neutrino Uno sviluppo ulteriore della fisica conduce al Modello Standard

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28 fermioni bosoni

29 fermioni bosoni

30 particelle di scambio fermioni bosoni

31 Come possono le forze essere rappresentate da uno scambio di bosoni? Forza attrattiva Forza repulsiva

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33 Decadimento β La descrizione di questo processo conduce al bosone di Higgs

34 VERSO L UNIFICAZIONE DELLE FORZE L unificazione si darebbe ad alte energie con particelle di scambio di massa nulla che si differenzino tra loro eventualmente acquistando massa una volta che cessi l unificazione a energie più basse Come generare una teoria capace di predire l'azione delle forze oltre i limiti sperimentali? Bisogna partire dagli aspetti più fondamentali di una teoria già provata La teoria elettromagnetica (EM) è una teoria di gauge che fornisce una impalcatura classica e quantistica idonea a questo scopo

35 Funzione Lagrangiana della teoria EM L(Ψ,A) stato cariche funzione onda campo EM fotoni Aspetti fondamentali invariante rispetto al laboratorio simmetria spazio-tempo invariante di gauge simmetria di gauge Ad ogni simmetria continua corrisponde una legge di conservazione

36 Si può applicare una teoria di gauge come quella EM al campo di forza debole? La difficoltà starebbe nel fatto che le particelle di scambio sarebbero di massa nulla Higgs e Brout-Englert hanno introdotto nella teoria delle modifiche basate su un ipotetico campo ϕ che permette a questa di descrivere il campo di forza debole con particelle di scambio che acquistano massa L(Ψ,A, Ψ,A,ϕ) La teoria continua a rispettare la simmetria di gauge, mentreϕfornisce massa alle particelle mediante una rottura spontanea di simmetria

37 Rottura spontanea della simmetria per transizione allo stato base alta temperatura bassa temperatura da uno stato di minima energia che rispetta la simmetria si transita ad uno stato di minima energia che rompe con la simmetria. La simmetria della teoria permane mentre si rompe la simmetria dello stato di minima energia

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42 LARGE HADRON COLLIDER LHC È UNO STRUMENTO STRATEGICO PER VERIFICARE LA FISICA IN CONDIZIONI ESTREME

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46 DEL MODELLO STANDARD RIGUARDO ALL UNIFICAZIONE ELETTRO-DEBOLE È STATA VERIFICATA L ESISTENZA DEL BOSONE HIGGS IL CAMPO DI HIGGS È CONGRUENTE CON L INFLATONE L UNIFICAZIONE DELLE QUATTRO FORZE GENERERÀ ALTRI CAMPI SUSCETTIBILI DI ESSERE L INFLATONE

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48 ALCUNE QUESTIONI FONDAMENTALI La fisica tende ad una formulazione primaria e unificata delle quattro interazioni: gravitazionale, elettromagnetica, forte e debole Il Big-Bang può essere stato indotto da un esplosivo inflatone che ha impresso nei primi secondi di vita le condizioni che determineranno l intera storia dell Universo La composizione dell Universo attuale è: 68.3 % energia oscura (sconosciuta) 26.8 % materia oscura (sconosciuta) 4.9 % materia ordinaria senza una presenza apprezzabile di antimateria

49 fermioni bosoni bosoni fermioni Una estensione naturale del Modello Standard è la Teoria SuperSimmetrica dove ad ogni fermione si fa corrispondere un bosone e viceversa. La congettura delle particelle supersimmetriche è puramente teorica

50 alcune di queste nuove particelle potrebbero giocare un ruolo fondamentale come materia oscura È necessario verificare le predizioni teoriche di SUSY con nuovi esperimenti

51 Fisica standard particella elementare come punto descrizione accettabile al di sopra di ~10-33 cm ma contraddittoria a dimensioni più piccole Teoria delle stringhe particella elementare come stringa di ~10-33 cm descrizione quantistica della gravitazione evitando disastri oltre i limiti di Planck

52 ALLA RICERCA DELLA TEORIA PRIMARIA Esiste una scala naturale per l unificazione della gravitazione con le altre forze: la scala di Planck centimetri, secondi, TeV Si spera che una teoria primaria arrivi alla scala di Planck Una teoria primaria dovrebbe generare in modo naturale i valori di varie costanti della fisica senza riceverli dall esperimento Diverse evidenze fanno pensare che l unificazione con la gravitazione può avvenire solo aumentando le dimensioni dello spazio da 3 a un minimo di 10 La teoria delle superstringhe rappresenta un tentativo di teoria primaria Il ruolo avuto dalla fase primordiale dell Universo sulla storia seguente rivela l enorme importanza della ricerca di una teoria primaria

53 CONSIDERAZIONI FINALI La scoperta del bosone di Higgs introduce per la prima volta in fisica un campo mediante il quale si apre il cammino per la comprensione dell inflatone L energia oscura e la materia oscura seguono ancora avvolte nel mistero. Gli sviluppi della Grande Unificazione e della Super Simmetria offriranno elementi per sciogliere questo mistero La natura quantistica del vuoto dovrà essere congruente con la cosmologia

54 Letture raccomandate Martin Rees Prima dell inizio: il nostro universo e gli altri Scienza e Idee, 1998 I sei numeri dell Universo: le forze profonde che spiegano il cosmo Rizzoli, 2002 Brian Greene L Universo elegante: superstringhe, dimensioni nascoste e la ricerca della teoria ultima Einaudi, 2000 La trama del cosmo: spazio, tempo, realtà Einaudi, 2004 Gordon Kane Supersimmetria Squark, fotini, sparticelle: svelare le leggi ultime della natura Bollati Borinnghieri, 2005 Alex Vilenkin Un solo mondo o infiniti? Alla ricerca di altri universi Scienza e Idee, 2006

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