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Cos’è successo dopo il Big Bang? La ricerca fa passi avanti

Un gruppo di ricercatori italiani del nuovo laboratorio del Centro Bec – iniziativa congiunta tra Istituto nazionale di ottica del Consiglio nazionale delle ricerche (Ino-Cnr) e Dipartimento di fisica dell'Università di Trento – è riuscito a confermare in laboratorio una teoria che il fisico Tom Kibble aveva introdotto nel 1976 per descrivere i primi istanti di vita dell'Universo dopo il Big Bang. Lo studio, di grande rilevanza, è stato anche pubblicato su Nature Physics.

Gabriele Ferrari, uno dei coautori insieme a Giacomo Lamporesi di Ino-Cnr e del professor Franco Dalfovo, ci ha spiegato in modo semplice e comprensibile di cosa si tratta. Tutto ruota attorno alle "transizioni di fase", un fenomeno che avviene frequentemente in natura, dalla cosmologia alla fisica atomica, dal magnetismo alla fisica dei cristalli liquidi.

Big Bang

Per chi è a digiuno di questo argomento, il ghiaccio che si fonde sotto i raggi del sole o le pozzanghere che congelano nelle sere più fredde sono due esempi di transizioni di fase tra acqua e ghiaccio al variare della temperatura, che tutti possiamo facilmente osservare.

I ricercatori sono riusciti in sostanza a riprodurre e osservare i "difetti" che si formano in una transizione di fase di un gas di atomi ultrafreddi, analoghi a quelli che potrebbero essersi formati nei primi istanti di vita dell'Universo.

"Le prime transizioni di fase – spiega Ferrari – avvennero subito dopo il Big Bang. A seguito di questa esplosione primordiale l'Universo si sarebbe rapidamente espanso cambiando profondamente le condizioni di densità e temperatura e attraversando le temperature critiche che distinguono diversi stati della materia. La teoria introdotta nel 1976 dal fisico inglese Tom W. B. Kibble ipotizza che il passaggio rapido attraverso una transizione di fase desse luogo alla formazione di 'difetti' la cui esistenza può giocare un ruolo importante sulla successiva evoluzione dell'Universo".

"Zureck successivamente ha suggerito come questo tipo di meccanismo è legato al modo con il quale la transizione di fase viene attraversata e che comporta appunto la creazione di difetti. Facciamo l'esempio della transizione di fase cristallina. Un cristallo è una successione di particelle che si ordinano con una spaziatura fra di loro regolare, lungo direzioni che sono definite all'istante iniziale. Un difetto può essere per esempio una discontinuità nella struttura cristallina, come può essere un raddoppio della distanza".

Alla ricerca dei difetti

"Nel momento in cui la transizione di fase avviene velocemente succede che l'informazione con la quale le particelle trovano l'ordine, come ad esempio il reticolato cristallino, non si propaga abbastanza velocemente da un punto all'altro del campione e di conseguenza in punti diversi la transizione di fase avviene in un modo scorrelato e si nota un difetto".

Compresa la teoria passiamo alla scoperta. "La nostra particolarità è che abbiamo un sistema quantistico che ha delle forti analogie con quello che può essere successo su scala cosmologica al momento del Big Bang e abbiamo osservato i difetti direttamente, non indirettamente. Questo in un certo senso è una novità perché finora la caratterizzazione diretta di come questi difetti si creano in funzione della velocità del passaggio della transizione di fase aveva presentato dei problemi".

"Non siamo i primi ad osservare i difetti del maccanismo di Kibble-Zurek, li osserviamo in un sistema che davvero corrisponde alle condizioni previste dal suddetto meccanismo e soprattutto osserviamo i difetti direttamente in quantità che sono decisamente maggiori di 1, rispetto ad altri sistemi dove la probabilità di osservare i difetti è inferiore a 1. Nel nostro caso riusciamo a osservare un numero medio di difetti anche di 2, 3 o 4".

"Questo ha delle implicazioni importanti ai fini della comprensione del meccanismo. Rispetto ad altri sistemi per la prima volta riusciamo a osservare come varia la probabilità di creare difetti non solo al variare della velocità con la quale attraversiamo la transizione di fase (in pratica corrisponde ad esempio a prendere una pentola d'acqua bollente e raffreddarla all'improvviso per vedere quanto sono grandi i domini cristallini del ghiaccio. In questo caso il parametro di controllo è la temperatura). La cosa nuova che noi abbiamo fatto, che è la vera novità, è che non solo abbiamo cambiato il parametro di attraversamento della transizione di fase ma anche la velocità di propagazione dell'informazione del mezzo.

Lui ne sarebbe entusiasta

"Nel caso di Kibble le grandezze da confrontare sono la velocità con la quale si propaga l'informazione (ed esempio la velocità della luce) e la velocità con la quale si propaga il fronte della transizione di fase. Immaginiamo come un fronte del ghiaccio che avanza all'interno del liquido (immagine spesso evocata nei film catastrofici): se il fronte della transizione di fase si propaga velocemente rispetto alla velocità di propagazione dell'informazione (nel caso dell'esempio la luce) allora si creano i difetti".

"Nel nostro sistema fisico noi cambiamo la velocità di propagazione del suono all'interno del gas e vediamo che quando la velocità del suono è elevata allora le probabilità d'innescare il meccanismo di Kibble-Zureck è bassa, perché in pratica il fronte di condensazione arriva successivamente al fronte dell'informazione che si è propagata col suono. Al contrario, se il suono è in ritardo rispetto al fronte di condensazione, quest'ultima avviene localmente con un parametro d'ordine indipendente rispetto al resto della struttura che è già condensata. In questo caso si creeranno tanti difetti".

"Le nostre osservazioni potrebbero contribuire a fornire una migliore comprensione delle transizioni di fase della materia e nuovi indizi sulla storia dell'origine dell'Universo" conclude. Un prospettiva molto interessante, considerato il fascino che ruota attorno al Big Bang.