I fisici hanno appena confermato che la materia viene formata a partire da variazioni del vuoto quantico.
Dietro quest’affermazione si nasconde uno dei fondamenti della teoria fisica, della natura della materia. Ogni atomo è formato da granelli di materia, particelle di cui è possibile quantificare la massa, questi aggregati di atomi costituiscono degli insiemi come il corpo umano, una montagna, una cellula.
Gli astrofisici hanno dimostrato con la materia oscura che la materia ordinaria rappresentava soltanto il 25% della massa dell’universo, quindi bisogna sconvolgere le nostre credenze per capire i processi che sono all’origine della creazione della massa.
I ricercatori hanno simulato l’attività interna dei protoni e dei neutroni in quanto queste particelle costituiscono la maggior parte della massa della materia ordinaria. Ogni protone e neutrone è composto di tre quark, ma la somma della massa di questi tre quarti non rappresenta che l’1% della massa totale del protone.
Dove si nasconde la massa rimanente del protone? La teoria propone che questa massa sia creata dalla forza che lega i quark tra di loro, si parla di interazione nucleare forte, secondo la teoria quantistica l’interazione forte è portata da un campo di particelle virtuali chiamate gluoni, i quali appaiono all’improvviso per poi scomparire. L’energia emessa da queste variazioni di vuoto va aggiunta alla massa totale del protone.
Praticamente, è molto difficile trovare dei risultati a partire da equazioni teoriche. L’interazione forte è descritta dalle equazioni di cromodinamica quantistica – QCD – che sono troppo complesse da risolvere nella maggioranza dei casi. I fisici hanno quindi sviluppato un metodo chiamato QCD su reticolo, si tratta di una modellizzazione informatica dello spazio e del tempo sotto forma di un reticolo di punti. Un tale approccio permette di simulare approssimativamente le complessità dell’interazione forte.
I calcoli più recenti di QCD u reticolo si concentravano principalmente sui gluoni virtuali, ignorando un altro componente essenziale del vuoto: le coppie virtuali di quark e antiquark.
Queste coppie possono formarsi all’improvviso e trasformare momentaneamente un protone in una particella molto più esotica. Infatti un vero protone è la superposizione della somma di tutti gli stati possibili delle particelle che lo compongono.
Se prendiamo in considerazione i quark virtuali il numero delle possibilità da includere nel modello diventa gigantesco. La matrice necessaria alla risoluzione del problema contiene più di 10.000.000 di miliardi di numeri, come spiega Stephan Dürr, direttore della ricerca all’Istituto John Von Neumann in Germania.
“Non esiste un solo computer sulla terra capace di immagazzinare una matrice di tale dimensione in memoria, bisogna quindi utilizzare una o due tecniche……”
Diversi gruppi hanno lavorato su alcuni metodi in grado di superare questi problemi tecnici e, cinque anni fa, una squadra diretta da Christine Davies dell’Università di Glasgow, è riuscita a calcolare la massa di una strana particella, il mesone B_c. ( http://www.infn.it/multimedia/particle/paitaliano/mesons.html )
Questa particella non contiene che due quark, il che, per rapporto a un protone di tre quark, semplifica la simulazione. Durante un anno la squadra di Dürr ha utilizzato il computer per calcolo parallelo di Jülich, in grado di effettuare 200 teraflop ( http://kb.iu.edu/data/apeq.html )operazioni aritmetiche al secondo. Nonostante questa potenza di calcolo è stato necessario ottimizzare il codice in modo da sfruttare più efficacemente le capacità delle macchine.
Senza prendere in considerazione i quark, i precedenti calcoli si avvicinavano con margine del 10% alla massa del protone, Dürr a ottenuto un risultato esatto con margine del 2%.
Anche se i fisici si aspettavano un risultato che confermasse la teoria, si tratta comunque d’un’importante tappa. Ora sappiamo che la maggior parte della massa proviene da quark e gluoni virtuali. Adesso la QCD su reticolo potrà dedicarsi a calcoli più precisi della massa ma anche ad altre proprietà della materia.
Coloro che sono interessati al LHC (Large Hadron Collider, acceleratore di particelle presso il CERN di Ginevra) avranno sentito parlare del Bosone di Higgs (http://it.wikipedia.org/wiki/Bosone_di_Higgs ), particella virtuale portata da un campo che trasmette massa ai quark e agli elettroni. La massa quindi è creata a partire da fluttuazioni del vuoto, dove spontaneamente particelle virtuali si formano per generare particelle reali.
Manca soltanto la conferma del’LHC dell’esistenza del bosone perché l’insieme della teoria sia convalidato.
Tradotto da deg per altrogiornale.org
Foto in alto: rappresentazione artistica di traiettorie e collisioni di particelle.
Fonte http://www.unisciences.com/physique/news/matiere_fluctuation_vide.php?id=392 http://www.newscientist.com/article/dn16095-its-confirmed-matter-is-merely-vacuum-fluctuations.html