Quali sono le sue principali ricerche in ambito cosmologico?

La mia area di ricerca è la cosmologia su larga scala e quindi lo studio delle proprietà dell'Universo a partire dalle scale galattiche. è un settore molto attivo adesso. Abbiamo strumenti che stanno rivelando segnali e proprietà delle strutture cosmiche che hanno ricadute piuttosto profonde su tutta la fisica fondamentale, in particolare sulle teorie che riguardano la natura delle particelle, e sulla cosiddetta parte non barionica della famiglia di particelle, di cui si ipotizza l'esistenza ma che non è stata ancora osservata. Dal punto di vista sperimentale raggiungere energie elevatissime qui sulla Terra è un po' difficile, quindi gli scienziati tentano di osservare l'Universo alla ricerca di qualche traccia di fenomeni particolari. Una delle mie principali ricerche è lo studio della radiazione fossile che al momento rappresenta il "tracciatore" più potente dell'Universo primordiale.

Perché è cosí importante la radiazione fossile?

La radiazione fossile è ciò che ci lega al miglior laboratorio di alte energie che ci sia, cioè il big bang: lí sono successe cose che non possiamo riprodurre direttamente nei nostri laboratori, per cui i fisici cercano di capire cosa sia accaduto studiando i segnali che ci arrivano da quella regione dello spaziotempo. La radiazione fossile non ci arriva da regioni vicinissime alla singolarità iniziale, la sua origine risale infatti a circa 300 000 anni dopo il big bang, ma è in grado di trasportare fino a epoche recenti informazioni abbastanza intatte di quello che è successo. In particolare per quanto riguarda le proprietà dell'Universo nella sua totalità, la sua geometria su larga scala e le caratteristiche della componente oscura dell'Universo, la cosidetta materia oscura, che è connessa alla parte non barionica della materia, cioè a quella famiglia di particelle che non riusciamo a vedere. La radiazione fossile quindi porta informazioni sulle proprietà globali dell'Universo, infatti la geometria dell'Universo su larga scala è stata impressa al tempo del big bang o nell'epoca in cui le quattro interazioni erano unificate.

Come è noto esiste uno schema per unificare tre di queste quattro interazioni, e cioè l'interazione elettromagnetica, l'interazione debole e quella forte; ciò che rimane fuori è la gravità. La geometria dell'Universo può essere impressa in una primissima fase, cioè quando la gravità e le altre interazioni erano comparabili o unite o qualcosa che ancora non conosciamo. A quel punto si pensa che ci sia stata una fase di espansione alla velocità della luce indotta dall'energia di vuoto, la cosidetta inflazione. I campi quantistici che esistevano in questa fase hanno conferito al vuoto, allo spazio vuoto, un'energia.

Secondo la relatività generale di Einstein, che è la teoria della gravità che regola la dinamica dello spaziotempo sotto l'effetto dei campi di materia, lo spaziotempo tenta di reagire a questa energia non nulla nel vuoto, con l'effetto finale di espandersi esponenzialmente. Non appena si aggiunge questo piccolo quantitativo di energia iniziale nello spazio vuoto dell'Universo primordiale, ciò produce una terribile esplosione: l'Universo comincia ad accelerare e a espandersi alla velocità della luce. Questa velocissima espansione "stira" ogni cosa, tutto il volume che vediamo intorno a noi, appiattisce le fluttuazioni e avvicina l'Universo a una geometria globalmente piatta.

Successivamente è necessario che questa energia di vuoto sparisca: a un certo punto si pensa che essa si sia dissipata, sia decaduta in altre particelle, lasciando che l'Universo si raffreddi pian piano in una espansione decelerata. Le piccole inomogeneità che c'erano a quel tempo, prodotte da questa sostanza primordiale, lentamente crescono fino a formare agglomerati che vanno a costituire le galassie e altre strutture cosmiche. Questo è un po' il quadro generale. Il metodo per vedere tutto ciò consiste nello studiare la radiazione fossile. Questa radiazione che oggi osserviamo non è perfettamente omogenea, queste differenze si chiamano anisotropie. La regione in cui ha avuto origine la radiazione fossile aveva piccole disomogeneità che erano quelle che sono state impresse dopo la fase di veloce espansione. La luce che parte da quelle regioni porta un ricordo di queste piccole disomogeneità. Noi possiamo misurare una quantità caratteristica di questa radiazione che è la temperatura; per cui riveliamo con i nostri strumenti zone un po' più calde o un po' più fredde a seconda della direzione di osservazione nel cielo. Queste temperature sono leggermente diverse perché erano un po' più dense o un po' meno dense le regioni da cui questa radiazione si è sviluppata. Possiamo arrivare fin qui nelle nostre osservazioni, cioè a 300 000 mila anni dopo il big bang.

Al momento queste analisi sono lo strumento principe di indagine. La SISSA sta investendo molto e giustamente in questo settore, e svolge un ruolo importante in una delle missione osservative più potenti che si stanno preparando, la missione Planck. Nel 2007 è previsto il lancio di un satellite che andrà a posizionarsi nello stesso punto dove è adesso una sonda americana la WMAP: compirà osservazioni a più alta risoluzione angolare. Mapperà non solo la temperatura termodinamica ma anche altre osservabili che la radiazione si porta dietro, per esempio la polarizzazione.

La radiazione porta con sé non solo il ricordo della temperatura termodinamica ma può avere anche una certa polarizzazione che dipende da altri ingredienti prodotti nelle primissime fasi di vita dell'Universo. Gli ingredienti attesi da tutti che aprirebbero una nuova grande finestra sull'Universo primordiale sono le onde gravitazionali.

Come si sono sviluppate perturbazioni di densità da quella regione dove la radiazione è nata, cosí si possono essere prodotte onde gravitazionali dovute alla fase di espansione accelerata, e queste possono essere cercate all'interno del segnale di polarizzazione che il satellite Planck potrà forse rivelare. Ci sarà un nuovo 50% di contenuto fisico che potrà essere analizzato. Poi si andrà avanti, si ipotizzano già altre missioni ancora più sofisticate proprio per l'otttimizzazione di questa ricerca sull'analisi delle onde gravitazionali cosmologiche.

Qual è invece il contenuto scientifico del 50% delle informazioni note attualmente sulla radiazione cosmica di fondo? Quali sono gli attuali valori dei principali parametri cosmologici?

I parametri cosmologici sono tanti: io una volta ne ho contati quattordici, ma possono esserne di più forse, a seconda di quello che uno cerca di parametrizzare. Forse il parametro più fondamentale è la curvatura globale dell'Universo, che è data dal rapporto tra la densità cosmica che c'è nell'Universo, cioè quanta materia c'è nell'Universo, e la densità critica. Si chiama critica perché destingue tra i modelli di universo aperti o chiusi. All'interno degli errori di misura per il momento l'Universo è consistente con una geometria globalmente piatta, detta minkovskyana.

Un secondo parametro importante è l'ammontare di materia barionica, che è la materia ordinaria descritta dal modello standard. Il rapporto tra la densità dei barioni e la densità critica è circa del 4 %, con una precisione del per cento.

I barioni li conosciamo perché interagiscono con la luce, il resto è "nero" perché non interagisce con la luce, o interagisce debolmente.

Ipotizzare che esistano componenti oscure nell'Universo serve a sostenere e a salvare la validità di un certo modello cosmologico?

È la risposta dei dati alla nostra schematizzazione dell'Universo. Noi parametrizziamo le differenti abbondanze delle componenti dell'Universo, poi le inseriamo nel nostro modello e infine ci confrontiamo con i dati sperimentali. La domanda è importante perché il modello cosmologico che descriviamo potrebbe apparire un po' assurdo da un punto di vista particellare, perchè il 96% delle componenti cosmologiche sono oscure, nel senso che attualmente non si sa cosa siano.
Ma c'è qualcosa di ancor più complesso. I cosmologi sarebbero stati in un certo senso soddisfatti se questa componente oscura fosse stata composta da particelle sconosciute ma con un comportamento fisico omogeneo; per esempio se tutto il 96% fosse fatto da un certo tipo di particelle esotiche che possono formare gli aloni oscuri intorno alle galassie. Invece purtroppo non è cosí, perché sembra che la natura stia cospirando per porci problemi ancora più difficili. Infatti, questa componente oscura appare fatta per un terzo da particelle che si possono giustificare mediante una estensione del modello standard, e per due terzi da una componente ancora più misteriosa la cui scoperta risale al '98, e che si comporta come l'entità fisica più strana che sia stata mai concepita. Questa entità può essere ricondotta alla famosa costante cosmologica che fu introdotta dallo stesso Einstein negli anni Venti. Si tratterebbe di nuovo di una qualche forma di energia di vuoto, tale da produrre una forza di gravità repulsiva. In modo stupefacente i cosmologi dicono che per questo motivo l'Universo sta di nuovo accelerando la sua espansione. Questa parte oscura che non interagisce con la luce o interagisce debolmente, è veramente strana, perché non solo costituisce il 96% dell'Universo, ma è costituita da due componenti completamente diverse: una potrebbe essere ragionevole, almeno ne abbiamo un concetto: dovrebbe essere fatta di particelle magari non interagenti con la luce, ma che si comportano seguendo delle leggi fisiche note; formerebbero gli aloni delle galassie ecc. e ciò è in accordo con le misure delle curve di rotazione delle galassie, che ci dicono che in una galassia c'è molta più materia di quella che si osserva. Ma per l'altra componente non abbiamo ben chiaro a cosa appigliarci, perché è un mistero completo e rappresenta un concetto in fisica che va avanti e indietro tra la meccanica quantistica e la relatività generale da ormai un secolo. Probabilmente nasconde una nostra ignoranza nel descrivere il vuoto. Paradossalmente la fisica teorica non va d'accordo con il vuoto, le leggi fondamentali vanno in disaccordo con la descrizione del vuoto.
Il problema è il seguente: nell'ambito della teoria della meccanica quantistica non viene presa in considerazione la cosiddetta normalizzazione assoluta dell'energia di vuoto; la teoria funziona bene qualunque essa sia. Infatti la meccanica quantistica è costruita intorno al concetto di quanti, che sono eccitazioni del vuoto. In questa interpretazione, a quale valore di energia sia fissato il vuoto non è fondamentale, e la teoria nonostante ciò funziona benissimo da un punto di vista predittivo e sperimentale. Ciò va bene per le descrizioni quantistiche delle interazioni elettromagnetiche, forti e deboli ma la relatività generale che invece descrive la fisica dello spaziotempo è estremamente sensibile a questo problema. Ogni volta che si prende una piccolissima quantità di energia di vuoto e la si mette nelle equazioni della relatività generale succede una catastrofe. In particolare le energie di vuoto di cui si parla in meccanica quantistica inserite nelle equazioni di Einstein farebbero esplodere l'Universo di oggi in una frazione infinitesima di secondo.
Queste due entità quindi non si devono "parlare", e nessuno ha idea del perché non si parlino. Forse il problema di fisica teorica più grave è proprio quello della costante cosmologica, e un sintomo della sua gravità è che probabilmente la gente tende a ignorarlo. La costante cosmologica fu proposta inizialmente da Einsten; il fisico tedesco la introdusse per rendere statico l'Universo ma poi ritrattò completamente la sua proposta, pensando di aver sbagliato tutto. Poi la relatività generale ha smesso di occuparsene. Successivamente i teorici della meccanica quantistica hanno costruito una bellissima teoria delle particelle elementari, rimanendo però con questa normalizzazione del vuoto arbitraria, che inserita dentro le equazioni di Einstein faceva "esplodere" tutto.
In un certo senso molti hanno sottovalutato il problema, pensando che debba esistere qualche meccanismo sconosciuto che metta quest'energia di vuoto a zero, che prima o poi si scoprirà. Questo è un tipo di risposta analogo all'atteggiamento che avevano i fisici prima della rivoluzione della meccanica quantistica, nella prima metà del Novecento. Infatti la fisica classica prevedeva una catastrofe se si voleva quantificare l'energia emessa da un corpo nero, la quale sarebbe stata infinita. I fisici dell'epoca pensavano che ci dovesse essere un qualche cut off , un taglio che ponesse un limite al calcolo dell'energia emessa, e in generale rimandavano la questione a sviluppi di strumenti teorici futuri. In realtà si vide che tutto ciò nascondeva l'esistenza dei quanti, e cioè che l'energia non si conta su tutti i modi in maniera continua ma si conta a pacchettini, come Planck propose per primo. Gli scienziati dell'epoca pensavano che non fosse un problema importante e che ci si dovesse concentrare su altro; ma ciò nascondeva un mondo intero, una delle principali rivoluzioni in fisica.
Attualmente potremmo essere in un momento analogo, ma la differenza sostanziale rispetto al passato è che la cosmologia ci sta mettendo un po' di fretta, perché sembra che questa energia di vuoto pur piccolissima esista, e sia tale da far accelerare l'Universo negli ultimi 4 miliardi di anni. Ciò è stato scoperto del '98. Una prima evidenza si è avuta grazie allo studio delle supernovae. Dalla luce emessa che oggi osserviamo, si può calcolare quanto sia il rate di epansione cosmico: questa ricerca faceva emergere già un'anomalia: l'Universo accelerava la sua espansione. Poi indipendentemente altre due osservabili, la radiazione di fondo stessa e la struttura su larga scala, cioè quante galassie e quanta materia c'è nell'Universo hanno contemporaneamente confermato questo dato. Tutto ciò costituisce un gigantesco punto interrogativo sull'intero quadro cosmologico che noi abbiamo. Da un lato è allarmante ma dall'altro è uno stimolo, la natura ci sta dicendo qualcosa, ci forza a capire cosa sia il vuoto.

Ci sono teorie alternative per giustificare un certo quadro cosmologico?

Ce ne sono varie di teorie. L'energia di vuoto è l'evidenza, le teorie tendono a spiegarla riconducendola ai suoi effetti: si tenta di modificare la relatività generale oppure si cerca di introdurre una nuova forza che produca questa repulsione, la cosiddetta quintessenza: è un nome spettacolare inventato dagli americani, loro sono bravissimi in questo. La costante cosmologica di Einstein è appunto una costante; la quintessenza invece rappresenta la generalizzazione minimale di una costante, che si chiama campo scalare. Un campo scalare di quintessenza ha una descrizione fisica ben precisa, si può inserire nelle equazioni cosmologiche e si possono ricavare delle predizione.
Quindi un campo scalare ha una sua dinamica, non è una costante: ogni campo in fisica da origine a una forza, la quintessenza sta per una quinta forza simile a quella gravitazionale ma repulsiva. Purtroppo non ci sono ancora modelli che eccellono rispetto ad altri. Inoltre, il problema grosso che l'energia oscura sta ponendo è: come mai adesso accade tutto ciò? Perché l'Universo si è messo ad accelerare nella sua espansione? Negli ultimi miliardi di anni sembra non essere successo niente, a meno della formazione di strutture cosmologiche, come galassie o ammassi di galassie, ma a quanto ne sappiamo questo non avrebbe niente a che fare con il vuoto, allora il problema è come mai l'Universo si è messo ad accelerare oggi.

Ma si era sicuri del contrario e cioè che l'Universo prima decelerasse? Quali erano le evidenze sperimentali?

Si misura da tutto. L'accelerazione è nemica della formazione delle strutture. Come vi dicevo prima, l'inflazione "stira" tutto, non permette la formazione di strutture, appiattisce ogni cosa, quindi assolutamente non va messa nessuna accelerazione nell'Universo dal big bang fino a pochi miliardi di anni fa. Noi le galassie invece le vediamo: deve essere successo allora qualcosa recentemente, a una scala di energia piccolissima, che ha fatto accadere ciò misteriosamente. Oppure è un caso. Io personalmente prima di arrendermi al caso vorrei cercare di battere tutte le strade. Probabilmente gli scienziati lo faranno ancora per decine di anni: gli americani per esempio hanno elaborato un programma trentennale che si chiama Beyond Einstein, costituito da grandi attività teoriche e osservative basato su tre pilastri, uno è la fisica del big bang, l'altro è la fisica delle onde gravitazionali e il terzo è il filone di ricerca relativo all'energia oscura. Si spera che siano studi dai cui risultati possa scaturire una rivoluzione che possa andare oltre la relatività generale. Prima di arrendersi al caso, non solo io ma tutti i fisici andranno avanti per decine di anni.
È probabile invece che nell'Universo attuale, a queste scale di energia, sia successo qualcosa per cui lo stato di vuoto si sia modificato. Un dato importante è che si sono formate le galassie e che l'Universo si è messo ad accelerare poco dopo la formazione di strutture cosmiche; questo potrà voler dire qualcosa. Le nostre teorie però non riescono a collegare la formazione delle strutture con l'accelerazione della materia. Tutto ciò appare come un'idea assurda, ma anche i quanti di Planck erano considerati un'idea assurda. Lo stesso Planck inizialmente pensò che la sua ipotesi fosse un'assurdità; mentre grazie ad Einstein l'idea prese corpo successivamente.
Al momento attuale appunto non c'è nessuna idea sensata che possa collegare la formazione di cuspidi nella materia alla modificazione dell'espansione dell'Universo su larga scala.
Un altro aspetto fondamentale che potrebbe fornire delle spiegazioni è legato ai neutrini. Si sa, e questa è anche una scoperta relativamente recente, che i neutrini hanno una piccola massa; al momento non è stata misurata la loro massa in assoluto, ma solo la differenza relativa tra le masse dei diversi tipi di neutrini. Un'ipotesi è quella di collegare la massa dei neutrini all'espansione cosmica su larga scala. Se ciò fosse fatto si potrebbero spiegare molte cose a scale di enegia piccolissime rispetto a quelle dell'Universo primordiale.

Comunque si brancola ancora nel buio. Quello che si tenta di fare da un punto di vista puramente fenomenologico è sostenere che questa costante cosmologica non è veramente costante ed ha una piccola dinamica, cioè può cambiare secondo una opportuna descrizione fisica. Se invece è e rimane una costante, allora ci vorrà solo un fisico teorico brillante che ci spieghi perché quella costante ha quel valore. Non ci si fa granché con delle costanti. Al contrario se esistono piccole fluttuazioni, qualche piccola dinamica temporale, allora si può cercare di investigarla e di relazionarla a qualche modello. Quello che si tenta di fare quindi, con l'aiuto dello studio del fondo di microonde, delle supernovae, della struttura su larga scala dell'Universo, degli effetti dovuti alle lenti gravitazionali e di altre cose, è rilevare deviazioni di questa componente oscura da un comportamento tipo costante cosmologica. Al momento attuale il comportamento è consistente, all'interno degli errori, con quello di una costante cosmologica. Però questi errori sono ancora relativamente grandi, per cui c'è molto margine per ridurli.
La mia attuale attività teorica è focalizzata su questi studi e soprattutto non avendo avuto idee più brillanti, abbiamo investito molto per produrre formulazioni di teorie alternative in cui vi è il tentativo disperato di ricondurre l'accelerazione dell'Universo a una modifica della relatività generale. Non c'è riuscito nessuno e neanche noi per adesso; nel senso che un'energia di vuoto va aggiunta comunque ad hoc per fare accelerare l'Universo.
Queste teorie prevedono l'accoppiamento del campo di quintessenza allo scalare di Ricci dentro la lagrangiana fondamentale. Lo scalare di Ricci è praticamente la sorgente della gravità nell'interpretazione di Einstein. Abbiamo previsto l'esistenza di alcuni fenomeni interessanti, ma ancora non siamo riusciti né ad affrontare il problema della coincidenza, e cioè come mai proprio oggi l'Universo acceleri; né siamo riusciti a liberarci di questa energia di vuoto più o meno costante. Abbiamo però prodotto una quantità di predizioni sulla statistica delle strutture cosmologiche e sulle distorsioni del fondo di microonde che dovremmo osservare, se questa componente di quintessenza fosse accoppiata alla gravità.

Come mai conosciamo con grande precisione quanto sia l'abbondanza di questa energia oscura, prevediamo che ci sia, ma non sappiamo cos'è?

Noi modelliamo le sue proprietà, anche se non sappiamo cosa sia come entità fisica. La materia oscura per esempio si comporta come materia barionica, quindi si tratta di particelle che possono concorrere a formare le galassie. Si pensa che quello che osserviamo delle galassie sia solo un piccolo vortice di barioni che si "accendono" ed emettono luce, ma che intorno ci sia una specie di enorme palla di particelle invisibili, che non emettono luce: questo alone invisibile costituirebbe la materia oscura.
Quindi noi la modelliamo, cosí come si fa per i barioni, ma con la differenza che queste nuove particelle non interagiscono con la luce. Poi inseriamo nelle nostre equazioni cosmologiche un nuovo parametro, che ci dice quanto è abbondante questa componente, e infine andiamo a confrontare ciò che otteniamo con i dati sperimentali. I fisici possiedono uno schema per modellare le proprietà della materia oscura, poi confrontano i risultati ottenuti con i dati, e il dato ci consente, all'interno degli errori, di discriminare la bontà del nostro modello. I dati ci indicano attualmente l'esistenza di questa componente oscura che è circa il 26 % della densità critica dell'Universo; e ciò è in accordo con le curve di rotazione delle galassie.
Nelle stesso modo si opera in relazione all'energia oscura. Non si sa assolutamente cosa sia, allora la si modella come se fosse la costante cosmologica di Einstein. Il modello è perfettamente consistente con la relatività generale, del resto è un ingrediente che anche lo stesso Einstein introdusse dentro le sue equazioni. Effettivamente non si riesce a interpretarla teoricamente ma è perfettamente coerente con il modello. Si applica quindi lo stesso procedimento di prima: la si inserisce nelle equazioni, ci si confronta con i dati e si ricava che l'energia oscura deve essere circa il 70 %.
A questa abbondanza relativa di componenti ci si arriva indipendentemente attraverso lo studio di diverse osservabili. Quando si descrive un modello in modo sbagliato ci si aspetta che se si confrontano due osservabili, queste confliggono, e ciò ci suggerisce che probabilmente il modello con cui ci si sta interfacciando con la natura è errato. Nel nostro caso invece sembra che le cose convergano, sembra quasi un miracolo.
Un altro aspetto che ricaviamo, è che queste componenti nere sono dominanti, circa il 96 % complessivamente, anche se appaiono cosí assurde. Quella che ci appare meno assurda è sicuramente la materia oscura che almeno ha dei candidati forti per interpretarla.

Quali sono i candidati che darebbero origine alla materia oscura?

Ce ne sono tanti. Subito dopo che il modello standard è stato confermato nei laboratori, i fisici hanno cercato di costruire delle estensioni di questo modello. In effetti, il modello standard funziona molto bene, però descrive una pletora di particelle con tanti parametri fissati solo dalle osservazioni. Gli uomini invece subiscono il fascino dell'eleganza formale e delle simmetrie in natura, quindi volevano tentare di unificare le interazioni derivando tutto da un principio più semplice. Quindi hanno cercato un'estensione elegante ed hanno predetto l'esistenza di una supersimmetria tra le due famiglie di particelle che esistono in fisica, che sono i fermioni e i bosoni, che hanno differenti statistiche (per esempio, i fotoni sono bosoni ed hanno spin intero, pari a 1; mentre gli elettroni sono fermioni e hanno spin semintero, pari a 1/2).
Supponiamo che esista in natura un principio di supersimmetria per le particelle elementari, allora a ciascuna particella, per esempio di spin intero, corrisponderà una certa particella di spin semintero e viceversa, quindi i fisici hanno aggiunto tante nuove particelle allo schema presistente, e alcune di queste sono dei buoni candidati per costituire la materia oscura. C'è una classe di queste che si chiamano WIMP's (Weakly Interacting Massive Particles); sono partner supersimmetrici di altre particelle, interagiscono debolmente e potrebbero essere dei buoni candidati per comporre gli aloni di materia oscura intorno alle galassie.
C'è un appuntamento fondamentale per la fisica particellare alla fine di questa decade; infatti nel 2009 grazie alle misure dell'acceleratore LHC (Large Hadron Collider), che si trova al CERN, si dovrebbero raggiungere delle energie tali da permettere di osservare una particella di più bassa energia, cioè di minore massa, che è in un certo senso la "figlia" di quelle che formerebbero gli aloni di materia oscura: questa particella è il bosone di Higgs, che sarebbe responsabile dell'unificazione fra la forza elettromagnetica e la forza debole. Se si osserva questa particella vorrà dire che lo schema unificativo della fisica ha un senso ed ha una risposta in natura, quindi giustifica un po' tutta la costruzione teorica sviluppata in questi anni.
Se questa scoperta verrà fatta allora tutti i modelli supersimmetrici prenderanno corpo, sarà un grande passo avanti legare l'esistenza di queste particelle non barioniche alla materia oscura. Se invece ciò non si dovesse verificare allora sarebbe un problema per l'intera impalcatura teorica creata negli ultimi decenni.