Acceleratori di Energia Planck

L'energia più alta concepibile per una particella elementare è la cosiddetta energia di Planck . Con questa energia, la meccanica quantistica cambia la natura della gravità e l'interazione gravitazionale è forte quanto le interazioni elettromagnetiche, deboli e forti. L'energia di Planck è di 19 ordini di grandezza maggiore della massa di un protone. Per ottenerlo, un protone deve essere accelerato a un fattore di Lorentz relativistico di 10 alla potenza di 19.

Nella meccanica quantistica, il principio di indeterminazione di Heisenberg implica che la posizione di una particella può essere determinata fino a una precisione pari alla costante di Planck divisa per la quantità di moto della particella. All'energia di Planck, questa incertezza è piccola quanto l'orizzonte degli eventi di un buco nero con l'equivalente massa di Planck.

Il Big Bang avrebbe potuto iniziare con una temperatura pari all'energia di Planck al tempo di Planck, che è di 43 ordini di grandezza inferiore a un secondo, ma da allora tutte le particelle cosmiche si sono notevolmente raffreddate a causa dell'espansione cosmica. Non ci si aspetta che gli acceleratori astrofisici naturali riportino le particelle all'energia di Planck.

Tuttavia, ci si potrebbe chiedere se una civiltà tecnologicamente avanzata avrebbe potuto investire risorse importanti nella più ambiziosa ricerca sperimentale di nuova fisica, distruggendo protoni alla massima energia possibile, nello spirito dell'estensione definitiva del Large Hadron Collider del CERN . Cosa comporterebbe un acceleratore di energia di Planck?

In un articolo del 1951 , l'allora fisico di Harvard Julian Schwingerderivato un limite superiore all'intensità di un campo elettrico. Quando tradotto nel nostro contesto, questo campo elettrico massimo corrisponde a una caduta di potenziale elettrico dell'energia di Planck oltre dieci volte la dimensione del Sole. Un campo elettrico più forte si rompe creando spontaneamente coppie elettrone-positrone dal vuoto. Secondo l'elettrodinamica quantistica, il vuoto contiene fluttuazioni di coppie elettrone-positrone virtuali. Di conseguenza, un'ampiezza di campo che rappresenta una caduta di potenziale elettrico del doppio della massa dell'elettrone sull'incertezza della scala di lunghezza associata alla massa dell'elettrone, produrrebbe queste coppie e degraderebbe rapidamente a un'ampiezza più debole. Ciò implica che la dimensione richiesta di un acceleratore di energia Planck deve essere maggiore di dieci volte la dimensione del Sole.

Il raggio dell'acceleratore potrebbe consentire la fuga di particelle energetiche se l'accelerazione avviene in un getto con un fattore di Lorentz di massa sufficientemente grande, in modo che l'energia osservata delle particelle accelerate sia potenziata dal fattore di Lorentz del deflusso in cui avviene l'accelerazione. La situazione è simile a quella incontrata nei lampi di raggi gamma che hanno origine da getti relativistici. La condizione di trasparenza per raggiungere l'energia di Planck richiede un deflusso con un fattore di Lorentz di massa superiore al milione. Mentre questa sfida è in linea di principio raggiungibile, c'è un ostacolo maggiore legato alla debolezza della sezione trasversale di interazione all'energia di Planck.

In base al principio di unitarietà , la sezione trasversale per le collisioni di fasci opposti di protoni con un'energia del centro di massa uguale all'energia di Planck è il quadrato della scala di lunghezza di Planck, all'incirca la costante di Newton per la costante di Planck divisa per la velocità della luce al cubo. Questa sezione d'urto è di 41 ordini di grandezza più piccola della sezione d'urto totale per le collisioni protone-protone. L'enorme rapporto tra i due significa che solo una collisione su 10 alla potenza di 41 collisioni di protoni all'energia di Planck risulterà in un'interazione energetica di Planck mentre il resto porterà a una pioggia di particelle di energia inferiore. Per produrre un neutrino di energia di Planck dall'urto di protoni ad alta energia l'uno contro l'altro, è necessaria una fornitura di energia totale di 10 alla potenza 41 volte l'energia di Planck o equivalentemente mille volte la massa del Sole.

Questo requisito irrealistico significa che se rileviamo i neutrini energetici di Planck, allora ci deve essere un'origine diversa per la loro produzione rispetto a un acceleratore tecnologicamente ingegnerizzato.

Una possibilità è che le particelle di energia di Planck siano le reliquie di buchi neri primordiali con una massa inferiore a un asteroide delle dimensioni di un chilometro, evaporati dalla radiazione di Hawking durante l'età dell'Universo. Un'altra possibilità è che le particelle di energia di Planck siano i prodotti di decadimento di particelle più massicce, forse formando parte della materia oscura.

Tuttavia, non dovremmo escludere la possibilità che la nostra attuale comprensione della fisica sia incompleta. La maggior parte delle stelle simili al Sole si sono formate miliardi di anni prima del Sole. Una civiltà scientifica avanzata che ci ha preceduto di un miliardo di anni avrebbe potuto trovare una scorciatoia per creare messaggeri energetici di Planck. Se mai rileveremo un raggio di neutrini energetici di Planck, sapremo dove cercare nuova fisica.

Dovremmo esplorare l'Universo in modo agnostico come un'esperienza di apprendimento. Trovare scienziati extraterrestri più intelligenti nel nostro vicinato cosmico potrebbe essere un modo più veloce per noi di conoscere la fisica dell'energia di Planck piuttosto che aspettare che le nostre agenzie di finanziamento costruiscano un acceleratore di energia di Planck. Le mie figlie hanno avuto uno shock psicologico quando hanno incontrato bambini più intelligenti il ​​primo giorno di scuola materna. Potrebbe essere un duro colpo per il nostro ego ammettere che uno scienziato più intelligente di Albert Einstein è nato su un pianeta extrasolare un miliardo di anni fa. Ma se rinunciare alla nostra arroganza scientifica è l'unico prezzo che dobbiamo pagare per salvare un miliardo di anni nella nostra esplorazione scientifica, così sia.

CIRCA L'AUTORE

Avi Loeb è il capo del progetto Galileo, direttore fondatore della Black Hole Initiative dell'Università di Harvard, direttore dell'Institute for Theory and Computation presso l'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics ed ex presidente del dipartimento di astronomia dell'Università di Harvard (2011 –2020). Presiede il comitato consultivo per il progetto Breakthrough Starshot ed è un ex membro del Consiglio dei consulenti per la scienza e la tecnologia del presidente ed ex presidente del consiglio di fisica e astronomia delle accademie nazionali. È l'autore più venduto di " Extraterrestrial: The First Sign of Intelligent Life Beyond Earth " e coautore del libro di testo " Life in the Cosmos ", entrambi pubblicati nel 2021. Il suo nuovo libro, intitolato " Interstellar ”, la cui pubblicazione è prevista per agosto 2023.