Buchi neriin laboratorio

Non tutti i buchi neri si formano dal collasso di una stella.

Con un po' di fortuna, presto anche i fisici potranno usare

gli acceleratori di particelle per creare «mini buchi neri»

di Bernard Carr e Steven B. Giddings

a quando, circa ottant'anni fa, i fisici hanno inventato gli acceleratori di par-

ticelle, se ne sono serviti per scopi esotici come la fissione atomica, la tra-

smutazione di elementi, la produzione di antimateria e la creazione di

particelle precedentemente non osservate in natura. Ma con un po' di

fortuna tra qualche tempo dovranno superare una sfida che farà sem-

brare queste imprese quasi banali. Gli acceleratori potrebbero infat-

ti produrre gli oggetti più misteriosi dell'universo: i buchi neri. Quando si

pensa ai buchi neri, di solito li si immagina come enormi mostri in grado di in-

ghiottire astronavi, o addirittura stelle, in un sol boccone. Ma i buchi neri che potrebbero essere

prodotti dagli acceleratori ad alte energie — forse già nel 2007, quando al CERN entrerà in attività

il Large Hadron Collider (LHC) — sono lontani cugini di quei leviatani stellari. Si tratterà di buchi ne-

ri microscopici, paragonabili in grandezza alle particelle elementari, che non potrebbero dilaniare

stelle, dominare galassie o minacciare il nostro pianeta, ma che, sotto alcuni punti di vista, avreb-

bero proprietà anche più spettacolari. A causa degli effetti quantistici, svanirebbero poco dopo

essersi formati, illuminando i rivelatori di particelle come alberi di Natale. Ma potrebbero darci

un'idea di come è strutturato lo spazio-tempo, e dirci se esistano altre dimensioni invisibili.

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ACCELERATORE DI PARTICELLE

Un acceleratore come il Large

Hadron Collider del CERN potrebbe

far collidere due particelle a velocità

tale da farle collassare in un buco

nero. I rivelatori registrerebbero

il successivo decadimento

del buco nero.

FLUTTUAZIONI DI DENSITÀ

PRIMORDIALI

Ai primordi della storia del nostro

universo lo spazio era riempito

di plasma caldo e denso. La

densità variava da punto a punto

e, là dove la densità relativa era

sufficientemente alta, il plasma

poteva collassare in un buco nero.

COLLISIONI DI RAGGI COSMICI

I raggi cosmici, particelle dotate

di alta energia provenienti da

supernove e altri eventi violenti,

potrebbero collidere con l'atmosfera

terrestre formando buchi neri che

decadono emettendo radiazioni e

particelle secondarie che possono

essere rivelate a terra.

Rivelatore

TRE MODI PER CREARE UN BUCO NERO

• I buchi neri non sono necessariamente mastodontici come di solito ce li

immaginiamo. La teoria prevede che abbiano un'enorme varietà di misure, e

che alcuni siano addirittura più piccoli delle particelle subatomiche. I piccoli

buchi neri dovrebbero essere distrutti dagli effetti quantistici, e i piccolissimi

esploderebbero quasi subito dopo essersi formati.

• I piccoli buchi neri potrebbero essere un residuo delle prime fasi del big bang, e gli

astronomi potrebbero riuscire a individuarne alcuni, mentre esplodono oggi.

Di recente, è stato ipotizzato che si possano formare piccoli buchi neri in collisioni

nell'universo attuale, persino al contatto tra i raggi cosmici e l'atmosfera terrestre,

in cui si dovrebbero produrre radiazioni e cascate di particelle che potrebbero

essere registrate dagli strumenti a terra.

• Un tempo si pensava che le energie richieste fossero troppo alte, ma se lo spazio

ha dimensioni aggiuntive con certe proprietà, allora la soglia di energia per la

produzione di buchi neri è molto più bassa. Se è così, si potrebbero produrre buchi

neri all'LHC del CERN e in collisioni di raggi cosmici alle sommità dell'atmosfera.

GLI AUTORI

BERNARD CARR e STEVEN B. GIDDINGS hanno cominciato la loro collaborazione in occasione

del convegno per la celebrazione del sessantesimo compleanno di Stephen W. Hawking, nel

2002. Carrfa risalire il suo entusiasmo per l'astrofisica al 1970, al famoso documentario tele-

visivo della BBC The Violent Universe di Nigel Calder. Studiò con Hawking negli anni settanta,

è stato uno dei primi scienziati a studiare i piccoli buchi neri e attualmente è professore al

Queen Mary (Università di Londra). Giddings afferma che ha contratto il morbo della fisica

quando suo padre gli parlò per la prima volta delle curiose proprietà della meccanica quanti-

stica. Sarebbe poi diventato un esperto di gravità quantistica e cosmologia. È stato tra i primi

a studiare la possibilità di creare buchi neri negli acceleratori di particelle, e ora è professore

all'Università della California a Santa Barbara.

Si ritiene che i buchi neri astronomici siano cadaveri di stelle massicce

che sono collassate sotto il proprio stesso peso. Via via che la materia

cade al loro interno, si comportano come centrali idroelettriche cosmiche,

sviluppando energia potenziale gravitazionale, la sola fonte di energia che

possa spiegare l'intensità dei raggi X e delle emissioni gassose di sistemi

come la stella binaria a raggi X raffigurata qui sopra.

La massa dei mini buchi neri varia da quella di un granello di polvere

a quella di una stella. Essi potrebbero essere emersi dal ribollire della

materia in collasso poco dopo il big bang. Le ricerche dell'ultimo decennio

suggeriscono che buchi neri anche più leggeri possano essere creati da

collisioni di particelle nell'universo attuale. Anziché inghiottire materia,

emetterebbero radiazioni e decadrebbero rapidamente.

Protoneisco di

a esci mento

Buco nero

Buco nero

Massa: 1031 chilogrammi

Raggio: 20 chilometri

Tempo di evaporazione: 10 6? anni

EmissioneMassa: 10-23 chilogrammi

Raggio: 10-19 metri

Tempo di evaporazione: 10-26 secondi

DUE TIPI DI BUCHI NERI11 concetto di buco nero nella sua formamoderna emerge dalla teoria della relati-vità generale di Einstein, che predice chese la materia è sufficientemente compressala sua gravità diviene così forte da crea-re una regione di spazio da cui nulla puòsfuggire. La frontiera di questa regione èl'orizzonte degli eventi del buco nero: glioggetti vi possono cadere dentro, ma nullane può uscire. Nel caso più semplice, in cuilo spazio non ha dimensioni nascoste o, sele ha, sono più piccole del buco nero, la suadimensione è proporzionale alla sua massa.Se si comprimesse il Sole fino a un raggiodi tre chilometri, circa quattro milionesimidel suo raggio reale, diventerebbe un buconero. Perché alla Terra accada lo stesso, la sidovrebbe comprimere fino a farle avere unraggio di nove millimetri, circa un minar-desimo del suo raggio.

Quindi, più è piccolo il buco nero, mag-giore è il grado di compressione necessarioper crearlo. La densità a cui deve esserecompressa la materia è proporzionaleall'inverso del quadrato della massa. Perun buco con la massa del Sole la densità èdi circa 1019 chilogrammi per metro cubo,maggiore di quella di un nucleo atomico.Una tale densità è all'incirca la più alta chesi possa ottenere mediante collasso gravi-tazionale nell'universo attuale. Un corpopiù leggero del Sole resiste al collasso per-ché è stabilizzato dalle forze quantistichedi repulsione tra le particelle subatomiche.A quel che se ne sa dalle osservazioni, i piùleggeri tra i candidati buchi neri hannouna massa circa sei volte quella del Sole.

11 collasso stellare però non è l'unicomodo in cui si possono formare i buchineri. All'inizio degli anni settanta StephenHawking e uno degli autori di questo arti-colo (Carr) studiarono un meccanismo digenerazione di buchi neri nell'universoappena formato. Questi buchi neri sonochiamati «primordiali». Con l'espandersidello spazio, diminuisce la densità mediadella materia; perciò la materia era moltopiù densa in passato, al punto da supera-re la densità che avevano i nuclei atomicientro il primo microsecondo dal big bang.Le leggi della fisica note permettono unadensità della materia non superiore alcosiddetto valore di Planck; vale a dire 1097chilogrammi per metro cubo, la densità acui la forza di gravità diventa così elevatache le fluttuazioni quantistiche distrugge-rebbero la struttura dello spazio-tempo.

Una densità così elevata sarebbe stata suf-ficiente a creare buchi neri con un diame-tro di appena 10- 35 metri (una misura notacome lunghezza di Planck) con una massadi 10- 8 chilogrammi (la massa di Planck).

Questo è il buco nero più leggero possi-bile secondo la descrizione convenzionaledella gravità. Ha una massa molto mag-giore ma un diametro molto minore di unaparticella elementare. Buchi neri primor-diali sempre più pesanti potrebbero essersiformati al diminuire della densità cosmica.Qualunque buco nero più leggero di 1012chilogrammi sarebbe ancora più picco-lo di un protone, ma oltre questa massa ibuchi neri sarebbero grandi come oggettifisici più familiari. Quelli che si formaro-no all'epoca in cui la densità cosmica erapari a quella nucleare avrebbero una mas-sa paragonabile a quella del Sole, perciòsarebbero macroscopici.

Le alte densità dell'universo delle originisono una condizione necessaria ma nonsufficiente per la formazione di buchi neriprimordiali. Perché una regione smettadi espandersi e collassi in un buco nero,deve essere stata più densa della media, equindi sono necessarie anche fluttuazio-ni della densità. Gli astronomi sanno chequeste fluttuazioni ci sono state, almenosu larga scala; altrimenti non si sarebberomai formate strutture come le galassie o gliammassi di galassie. Perché si formassero ibuchi neri primordiali, queste fluttuazionidevono essere state più forti su piccola chesu larga scala, il che è possibile ma noninevitabile. Persino in assenza di fluttua-zioni, si sarebbero potuti formare sponta-neamente buchi neri durante transizioni difase cosmologiche: per esempio, quandol'universo concluse il suo primo periododi espansione accelerata, l'inflazione, o

all'epoca della densità nucleare, quandoparticelle come i protoni si condensaronodalla zuppa dei quark che li costituiscono. Icosmologi possono anzi dedurre importan-ti vincoli per i modelli dell'universo delleorigini proprio dal fatto che nei buchi neriprimordiali non cadde troppa materia.

App".. ^ n ' ----izioni

Aver capito che i buchi neri possonoessere anche di piccole dimensioni spinseHawking a considerare quali effetti quan-tistici possano entrare in gioco; nel 1974giunse così alla famosa conclusione che ibuchi neri non solo inghiottono particellema possono anche sputarle fuori. Hawkingpredisse che un buco nero produce unirradiamento termico, come un carboneincandescente, con una temperatura inver-samente proporzionale alla sua massa. Perun buco nero di massa pari a quella delSole, la temperatura è circa un milione-simo di grado kelvin, un valore del tuttotrascurabile nell'universo attuale. Ma perun buco nero di 10 12 chilogrammi, che ècirca la massa di una montagna, la tempe-ratura è di 1012 gradi kelvin: abbastanza daemettere sia particelle prive di massa comei fotoni, sia particelle dotate di massa comegli elettroni e i positroni.

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LE SCIENZE 61

Massa: da 8 a 6 TeV

RALLENTAMENTO

da 1 a 3 x 10-2? secondi

Il buco nero non è più nero: irraggia. Dapprimal'emissione avviene a spese della rotazione,e così il buco nero rallenta e assume una formasferica. La radiazione emerge principalmentelungo il piano equatoriale.

TEMPO O

10-2? secondi

FASE DI SCHWARZCHILD

LA SIMULAZIONE DEL DECADIMENTO diun buco nero mostra un acceleratoredi particelle e un rivelatore in sezionetrasversale. Dal centrodell'acceleratore (cerchio nero)emergono particelle (raggi)registrate dagli strati del rivelator(anelli concentrici col ti).

da 3 a 20 x 10-2? secondi

Avendo perso la rotazione, il buco nero èora un corpo anche più semplice di prima,caratterizzato solo dalla sua massa. Anche lamassa si perde sotto forma di radiazione e diparticelle dotate di massa che emergono inogni direzione.

Il buco nero si a Ila massa di Planck— la mila teoria attuale — e ompare nel nulla. La teoriaemettere stringhe, l'unità di materia •'

sibile per un buco nero, secondnza l'ipotesi che il buco nero inizi

Massa: da 2 a O TeV

VITA E MORTE DI UN BUCO NERO

NASCITA

Se le condizioni sono giuste, due particellepossono collidere e creare un buco nero. Ilbuco nero appena nato è asimmetrico. Puòruotare, vibrare ed essere elettricamentecarico. (Tempo e massa sono approssimati;1 TeV è l'energia equivalente a una massadi circa 10-24 chi logram mi.)

SPOLIAZIONE

Via via che si stabilizza, il buco nero emetteonde gravitazionali ed elettromagnetiche.In un certo senso, si «spoglia» dei campielettrici e magnetici: diventa un corpo quasiindifferenziato, caratterizzato solo da carica,rotazione e massa. Man mano che perdeparticelle cariche, anche la sua carica siesaurisce velocemente.

Dato che l'emissione porta con sé ener-gia, la massa del buco nero tende a dimi-nuire. Quindi un buco nero è altamenteinstabile. Via via che si contrae diventasempre più caldo, emettendo particelledotate di energia sempre maggiore e con-traendosi sempre più velocemente. Quandoil buco nero è ridotto a una massa di circa1000 tonnellate, la partita è finita: nel girodi un secondo esplode con l'energia di unabomba nucleare di un milione di mega-ton. Il tempo complessivo impiegato da unbuco nero per evaporare completamenteè proporzionale al cubo della sua massainiziale. Per un buco nero di massa paria quella del Sole, la durata della vita è di1064 anni. Per uno di 10 12 chilogrammi èdi 1010 anni, l'ordine di grandezza dell'etàattuale dell'universo. Quindi qualsiasi buconero primordiale di questa massa sarebbesul punto di completare la propria evapo-razione e di esplodere proprio ora, e unopiù piccolo sarebbe evaporato in epochecosmologiche precedenti.

Gli studi di Hawking furono un for-midabile progresso concettuale, perchéunificarono tre aree della fisica preceden-

temente scollegate: la relatività generale,la teoria quantistica e la termodinamica.Furono anche un passo avanti verso ilcompletamento di una teoria quantisticadella gravità. Persino se non si fossero maiveramente formati buchi neri primordiali,ragionare su di essi ha portato a importan-ti scoperte fisiche. Quindi può essere utilestudiare qualcosa anche se non esiste.

In particolare, queste scoperte rivelaro-no un profondo paradosso che va dritto alcentro della difficoltà di conciliare relativitàgenerale e meccanica quantistica. Secondola teoria della relatività, l'informazione suciò che cade in un buco nero è persa persempre. Ma se il buco nero evapora checosa succede all'informazione contenu-ta al suo interno? Hawking propose chei buchi neri evaporassero completamente,distruggendo l'informazione, in contrad-dizione con i principi fondamentali dellameccanica quantistica. Ma la distruzionedell'informazione è in contrasto con lalegge di conservazione dell'energia, il cherende inammissibile questo scenario.

Altrettanto improbabile è l'alternativache i buchi neri lascino dietro di sé dei

residui. Per codificare tutta l'informazio-ne che può essere caduta nel buco nero,questi residui dovrebbero essere di infinititipi diversi. Le leggi della fisica prevedonoche la velocità di produzione di una par-ticella sia proporzionale al numero di tipidi quella particella. Perciò i resti del buconero dovrebbero essere prodotti a un ritmoinfinito: sarebbero generati persino da pro-cessi fisici quotidiani come l'accensione diun forno a microonde, e la natura sarebbecatastroficamente instabile. Una terza pos-sibilità è che non sia valida la località, ilconcetto che eventi in punti spazialmenteseparati possano influenzarsi l'un l'altrosolo dopo che la luce ha avuto il tempo diviaggiare dall'uno all'altro. Questo enigmalascia tuttora perplessi gli studiosi (si vedaComputer a buchi neri, di S. Lloyd e Y.J. Ng,in «Le Scienze» n. 439, gennaio 2005).

In fisica il progresso di solito richiedeun'interazione con la pratica sperimen-tale, per cui i quesiti sollevati dai buchineri microscopici ne giustificano la ricerca

empirica. Una possibilità è che gli astro-nomi riescano a individuare buchi neriprimordiali con una massa iniziale di 1012chilogrammi che esplodono nell'universoattuale. La maggior parte della massa diquesti buchi neri si trasformerà in raggigamma. Nel 1976 Hawking e Don Pagesi resero conto che le osservazioni dellaradiazione di fondo a raggi gamma impon-gono rigidi limiti superiori al numero diquesti buchi neri. Non era possibile, peresempio, che costituissero una parte signi-ficativa della materia oscura dell'universo,e raramente le loro esplosioni sarebberoabbastanza vicine da essere individuabili.A metà degli anni novanta, però, DavidChine dell'Università della California a LosAngeles ipotizzò che le emissioni di rag-gi gamma più brevi possano provenire dabuchi neri primordiali. Anche se si pensache le emissioni più lunghe abbiano a chefare con stelle che esplodono o si uniscono,gli eventi brevi possono avere una spie-gazione diversa. La questione dovrebbeessere risolta da osservazioni future, mala possibilità di sondare le fasi finali del-l'evaporazione dei buchi neri con osserva-

zioni astronomiche è un'idea affascinante.Produrre buchi neri usando acceleratori

di particelle è una possibilità ancora piùstimolante. Quando si tratta di produrredensità elevate, nessuno strumento superaacceleratori come LHC e il Tevatron delFermi National Accelerator di Chicago.Queste macchine accelerano particellesubatomiche come i protoni a velocitàvicinissime a quella della luce. Le particel-le hanno così un'energia cinetica enorme.In LHC un protone raggiungerà un'energiadi circa 5 teraelettronvolt (TeV). Secondola famosa equazione di Einstein E=mc2,questa energia è equivalente a ima massadi 10-23 chilogrammi, 7000 volte la massaa riposo del protone. Quando due di que-ste particelle collidono, la loro energia èconcentrata in una minuscola regione dispazio. Così è lecito supporre che, una vol-ta o l'altra, le particelle in collisione sianotanto vicine da formare un buco nero.

Così com'è, questo ragionamento ha unproblema: ima massa di 10- 23 chilogrammiè ben lontana dal valore di Planck di 10-9,che secondo la teoria convenzionale dellagravità è la massa del più leggero buco nero

possibile. Questo limite inferiore è conse-guenza del principio di indeterminazione.Dato che le particelle si comportano anchecome onde, sono distribuite su una distan-za che decresce al crescere dell'energia: alleenergie di LHC, è circa 10- 19 metri. Quindiquesta è la più piccola regione in cui si puòstipare l'energia dei protoni. Essa permetteuna densità di 1034 chilogrammi per metrocubo, che è alta, ma non abbastanza dacreare un buco nero. Perché una particel-la sia al contempo abbastanza pesante eabbastanza compatta da formare un buconero, deve avere la massa di Planck, cheè di un fattore 1015 al di là dell'energia diLHC. Anche se gli acceleratori potesserocreare oggetti matematicamente collega-ti ai buchi neri (e secondo alcuni teoricil'hanno già fatto), i buchi neri veri e proprisarebbero al di là della loro portata.

Nell'ultimo decennio però i fisici si sonoresi conto che la stima della densità di Plan-ck necessaria poteva essere troppo alta. Lateoria delle stringhe, una delle principali

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LE SCIENZE 63

Regione in culle particelledevono essere compresse percreare un buco nero...

...in uno spazio a più dimensioni

...nello spazio ordinario

Terra

Buco nero supermassiccio

Sole•

10-2? 10-810"

Massa (chilogrammi)

10 8 ° 038

ot`'

•oocA

2.1>

Proibito dallateoria della relatività

Proibito dalla

Protone

Buco nero prodottoda un acceleratore

Corpoumano Buco nero

stellare

Buco nero primordialeche sta evaporando

Buchi neri in uno spazioove dimensioni __

Buco nero di Planckstandard

meccanica quantistica

'Eog

.E 10'

io- 35

C

he cosa serve per comprimere un pezzo di materia fino a trasformarlo in un buco

nero? Più il corpo è leggero e più bisogna comprimerlo in modo che la gravità

diventi tanto forte da farne un buco nero. I pianeti e gli esseri umani sono molto più

lontani delle stelle dal diventare buchi neri (grafico). Per corpi microscopici, però, gli

effetti quantistici si oppongono alla compressione. Le particelle non possono essere

compresse fino a occupare una regione di spazio più piccola della loro lunghezza

d'onda caratteristica (diagramma), il che fa ipotizzare che nessun buco nero possa

essere più piccolo di 10- 8 chilogrammi. Ma se lo spazio ha dimensioni aggiuntive la

gravità sarebbe intrinsecamente più forte e non servirebbe comprimere un oggetto

così tanto, dando agli aspiranti creatori di buchi neri una speranza di successo in un

futuro non troppo lontano.

COME È DIFFICILE FARE BUCHI...Universo parallelo

Il nostro universo

PER APPROFONDIRE

THORNE K.S., Bleck Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy, W. W. Norton, 1995.

DIMOPOULOS S. e LANDSBERG G., Black Holes at the LHC, in «Physical Review Letters»,Vol. 87,Paper n. 161602, 2001; preprint disponibile all'indirizzo arxiv.org/abs/hep-ph/0106295.

ANCHORDOQUI L.A., FENG J.L., GOLDBERG H. e SHAPERE A., Bleck Holes from Cosmic Rays: Pro-bes of Extra Dimensions and New Limits on TeV-Scale Gravity, in « Physica I Review D», Vol. 65,Paper n. 124027, 2002; arxiv.org/abs/hep-ph/0112247

GIDDINGS S.B. e THOMAS S., High Energy Colliders as Bleck Hole Factories: The End ofShort Distan-ce Physics, in «Physical Review D», Vol. 65, Paper n. 056010, 2002; arxiv.org/abs/hep-ph/0106219.

GIDDINGSS.B., Black Holes at Accelerators, in The Future of Theoretical Physics and Cosmology,Gibbons G.W., Shellard E.P.S. e Rankin S.J. (a cura), Cambridge University Press, 2003; arxiv.

org/abs/hep-th/0205027

CARR B., Primordial Bleck Holes, in The Future ofTheoretical Physics and Cosmology,GibbonsG.W.,Shellard E.P.S. e Rankin S.J. (a cura), Cambridge University Press, 2003; astro-ph/0310838.

aspiranti al ruolo di teoria quantistica dellagravità, prevede che lo spazio abbia altredimensioni oltre alle tre già note. A diffe-renza delle altre forze, la gravità potrebbepropagarsi in queste dimensioni e quindiassumere una forza inaspettatamente ele-vata su brevi distanze. In tre dimensionila forza di gravità quadruplica quando sidimezza la distanza tra due oggetti, main nove dimensioni l'attrazione gravita-zionale diventerebbe 256 volte più forte.Questo effetto può essere molto rilevantese le dimensioni spaziali extra sono suffi-cientemente grandi, ed è stato molto stu-diato negli ultimi anni. Ci sono anche altreconfigurazioni di dimensioni aggiuntive,note come compattamenti contorti (warpedcompactifìcations), che hanno l'effetto diaumentare la gravità e sono anche più pro-babili se la teoria delle stringhe è corretta.

Questa maggior crescita della forza digravità significa che l'effettiva scala dienergie a cui le leggi della gravitazione edella meccanica quantistica collidono (ed èpossibile creare buchi neri) potrebbe esseremolto inferiore al suo valore tradizionale.Sebbene questa possibilità non sia ancorasostenuta da alcuna prova sperimentale,essa getta luce su numerosi problemi teo-rici. E, se è vera, la densità necessaria percreare buchi neri potrebbe rientrare nellepossibilità di LHC.

Lo studio teorico della produzione dibuchi neri in collisioni ad alta energia risa-le al lavoro di Roger Penrose, dell'Univer-sità di Oxford, a metà degli anni settantae di Peter D'Eath e Philip Norbert Payne,entrambi all'epoca a Cambridge, all'iniziodegli anni novanta. La possibilità, di recen-te scoperta, di grandi dimensioni aggiun-tive diede nuova vita a queste ricerche espinse Tom Banks dell'Università dellaCalifornia a Santa Cruz e Willy Fischerdell'Università del Texas a darne una primatrattazione nel 1999.

In un workshop nel 2001 due gruppi- uno costituito da uno di noi (Giddings)e Scott Thomas della Stanford University,e l'altro da Savas Dimopoulos di Stanforde Greg Landsberg, della Brown University- descrissero indipendentemente che cosasi vedrebbe effettivamente facendo colli-dere particelle in impianti come LHC. Dopoun po' di calcoli rimanemmo senza parole.Le stime approssimative mostravano chenegli scenari più ottimistici, corrispondentiai minimi valori plausibili per la scala di

Planck, si potevano produrre buchi neri alritmo di uno al secondo. I fisici chiamanofactory, cioè «fabbrica», un acceleratore cheproduce particelle a questo ritmo: LHC per-ciò sarebbe una fabbrica di buchi neri.

L'evaporazione di questi buchi nerilascerebbe tracce molto caratteristiche suirivelatori. Le collisioni più tipiche produ-cono quantità moderate di particelle pri-marie, ma un buco nero in evaporazione èun'altra cosa. Secondo gli studi di Hawking,esso emette un gran numero di particelledi altissima energia in tutte le direzioni. I

prodotti di decadimento comprendono tut-ti i tipi di particelle esistenti. Da allora, varigruppi hanno condotto studi sempre piùdettagliati alla ricerca delle firme caratte-ristiche che i buchi neri produrrebbero neirivelatori dell'LHC.

PI

i neri

L'idea di fabbricare buchi neri sulla Ter-ra può sembrare una follia. Come si fa asapere se decadrebbero tranquillamente,come prevede Hawking, o se continuereb-

bero a crescere fino a consumare l'inte-ro pianeta? A prima vista, la prospettivaappare preoccupante, soprattutto dato chealcuni dettagli del ragionamento origina-rio di Hawking possono non essere corret-ti: in particolare l'affermazione che l'in-formazione viene distrutta nei buchi neri.Ma in realtà il ragionamento quantisticogenerale dimostra che i buchi neri micro-scopici non possono essere stabili e perciòsono sicuri. Le concentrazioni di energia dimassa, come le particelle elementari, sonostabili solo se una legge di conservazionene proibisce il decadimento; tra gli esempivi sono la conservazione della carica elet-trica e del numero barionico (che, a menodi essere violata, garantisce la stabilità deiprotoni). Non c'è un'analoga legge di con-servazione che stabilizzi un piccolo buconero. Nella teoria quantistica, tutto ciò chenon è proibito è obbligatorio, e quindi ipiccoli buchi neri decadono rapidamente,in accordo con il secondo principio dellatermodinamica.

Inoltre, un ragionamento empirico cor-robora il fatto che le fabbriche di buchineri non porrebbero alcun pericolo. Colli-sioni ad alte energie come quelle di LHC si

sono già verificate: per esempio ai primor-di dell'universo, ma anche adesso, quandoraggi cosmici di energia sufficientementealta colpiscono la nostra atmosfera. Così,se le collisioni alle energie di [RC posso-no creare buchi neri, la natura ne ha giàcreati sopra le nostre teste senza nuocerci.Secondo le prime stime di Giddings e Tho-mas, i raggi cosmici con le energie più ele-vate - protoni o nuclei atomici più pesanticon energie fino a 109 TeV - potrebberoprodurre ogni anno fino a 100 buchi nerinell'atmosfera.

I due ricercatori hanno anche scopertoche le collisioni di neutrini cosmici potreb-bero essere persino più produttive. Se lecose stanno così, il nuovo osservatorioAuger per i raggi cosmici in Argentina el'osservatorio Fly's Eye in Utah aggiorna-to potrebbero riuscire a vedere numerosibuchi neri all'anno. Queste osservazioni,però, non escluderebbero la necessitàdegli esperimenti con gli acceleratori, chepotrebbero generare un numero ancoramaggiore di buchi neri in modo affidabilee in circostanze più controllate.

La produzione di buchi neri aprirebbenuove prospettive alla fisica. La loro sola

GRAZIE A BUCHI NERI DI MISURE DIFFERENTI

si potranno forse sondare dimensioni aggiuntive

che sono altrimenti inaccessibili. Dato che la

gravità, a differenza di altre forze, si propaga

in queste dimensioni, ciò vale anche per i buchi

neri. I fisici ne varierebbero le misure regolando

l'acceleratore di particelle su diverse energie. Se

un buco nero intersecherà un universo parallelo,

decadrà più velocemente e libererà meno

energia (perché una parte di essa sarà assorbita

dall'altro universo).

presenza dimostrerebbe l'esistenza del-le dimensioni spaziali finora nascoste e,osservando le loro proprietà, i fisici potreb-bero cominciare a esplorare la geografiadi queste dimensioni. Per esempio, se gliacceleratori producessero buchi neri dimassa via via maggiore, i buchi si adden-trerebbero sempre di più nelle dimensioniaggiuntive e potrebbero diventare di gran-dezza comparabile a una o più di questedimensioni, il che porterebbe a un muta-mento spiccato nella dipendenza dellatemperatura dei buchi neri dalla massa.Analogamente, se un buco nero cresceabbastanza da intersecare un universotridimensionale parallelo nelle dimensioniaggiuntive, le sue proprietà di decadimentocambierebbero improvvisamente.

La produzione di buchi neri negli acce-leratori di particelle rappresenterebbeanche la conclusione di una delle aspira-zioni storiche dell'umanità: comprenderela materia su scala sempre più piccola. Nel-l'ultimo secolo i fisici hanno fatto via viaindietreggiare la frontiera del piccolo daigranelli di polvere agli atomi, ai protonie neutroni, ai quark. Se sapranno crearebuchi neri avranno raggiunto la scala diPlanck, che si ritiene sia la minima lun-ghezza dotata di significato, la distanzalimite al di sotto della quale le nozionistesse di spazio e lunghezza probabilmentecessano di esistere.

Qualsiasi tentativo di indagare la pos-sibile esistenza di distanze inferiori permezzo di collisioni ad alta energia avrebbecome risultato la produzione di buchi neri.Collisioni a energie maggiori, anziché spez-zare la materia in componenti più piccoliprodurrebbero semplicemente buchi neripiù grandi. Così, la comparsa dei buchi nerisegnerebbe la fine di una delle strade dellascienza. Al suo posto si aprirebbe la stradadell'esplorazione geografica delle dimen-sioni extra dello spazio.

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