3 Mysteries of the Universe — and a New Force That Might Explain Them | Alex Keshavarzi | TED

Traduttore: Matteo Casarin Revisore: Gabriella Patricola

So today, I’m really here to talk to you all about one thing:

Oggi sono qui per parlarvi di una cosa:

the universe.

l’Universo.

In the world of particle physics,

L’obiettivo ultimo della fisica delle particelle

the ultimate goal is to be able to describe

è riuscire a descrivere tutte le particelle e le forze

all the particles and forces that make up our universe.

che compongono il nostro Universo.

And while we've made an extraordinary amount of progress in this

E nonostante gli straordinari progressi compiuti nell’ultimo secolo

over the past 100 years,

we're doing it still,

dobbiamo ancora svelare i grandi misteri sulla natura dell’Universo

because there are big mysteries about what the universe is made of

and how we came to be here.

e sulla nostra stessa esistenza.

So let me start by introducing you

Inizierei presentandovi tre grandi misteri del nostro Universo.

to three of the big mysteries about our universe.

First, we know that the universe is expanding.

Innanzitutto, sappiamo che l’Universo si sta espandendo.

So astrophysical evidence suggests

Le prove astrofisiche suggeriscono che l’Universo ha avuto inizio

that the universe started as a very dense, very hot Big Bang,

dallo stato estremamente caldo e denso del Big Bang

and has since been expanding outwards from that point.

e che da allora ha continuato ad espandersi.

However, as a complete shock, in the late '90s,

Ma, inaspettatamente, alla fine degli anni ’90

physicists discovered that the expansion of the universe

i fisici scoprirono che l’espansione dell’Universo

isn't slowing down, as you might expect --

non sta rallentando, come ci si aspettava:

it's actually accelerating,

sta accelerando, e non abbiamo idea del perché.

and we have absolutely no idea as to why this is.

All that we know is that some unknown source or force of nature

Tutto ciò che sappiamo è che una sorgente o una forza sconosciuta

is stretching the universe out in every direction,

sta ingrandendo l’Universo in ogni direzione

at an ever-increasing rate.

ad un ritmo sempre maggiore.

And because we don't know what that source is,

E poiché non conosciamo questa fonte, l’abbiamo chiamata “energia oscura”.

we've just called it "dark energy."

Now, what we do know about dark energy

Ciò che sappiamo dell’energia oscura

is that it makes up roughly 74 percent of the energy content of our universe.

è che costituisce circa il 74% del contenuto energetico dell’Universo.

So straight off the bat,

Quindi partiamo dal fatto che non sappiamo nulla del 74% del nostro Universo.

that's 74 percent of our universe that we know absolutely nothing about.

Second, we know that 85 percent of all the matter in our universe

Sappiamo poi che l′85% di tutta la materia dell’Universo

is made up of something called dark matter.

è costituita da qualcosa che chiamiamo “materia oscura”.

Now, this photo that you're looking at here

La foto che state guardando

is a picture from the Hubble Space Telescope,

è un’immagine del telescopio spaziale Hubble

which shows a cluster of galaxies

che mostra un ammasso di galassie a 4 miliardi di anni luce dalla Terra.

four billion light years away from the Earth.

And what's interesting here

L’aspetto interessante sono le parti sinistra e destra di questa fotografia,

is the left and right parts of this photograph,

because they're actually the same photo.

perché si tratta dello stesso scatto.

But what you're looking at in the right photo

La differenza è che a destra è stato applicato un filtro blu

is that it's had a blue filter applied to it,

to emphasize the light that's coming towards us

per evidenziare la luce dell’Universo remoto che viene verso di noi.

from the distant universe.

And what you can see is a dark ring,

Quello che vedete è un anello scuro,

indicating a clearly reduced amount of light coming towards us.

e indica una notevole riduzione nella quantità di luce in arrivo.

Now we believe that this ring is a halo of dark matter.

Crediamo che questo anello sia un alone di materia oscura.

Now we have no idea what dark matter is,

Non abbiamo idea di cosa sia la materia oscura

and we've never observed it in experiments here on Earth,

e non è mai stata osservata sperimentalmente qui sulla Terra,

but we know from several corroborating astrophysical observations

ma molte osservazioni astrofisiche corroborano la sua presenza.

that it has to be there.

Importantly, another thing that we know about dark matter

Un altro aspetto importante della materia oscura

is that it makes up another 21 percent of the energy content of our universe.

è che costituisce un ulteriore 21% del contenuto energetico dell’Universo.

So that, coupled with the dark energy problem,

Sommato alla questione dell’energia oscura,

means that we only know what five percent of our universe is made of,

implica che conosciamo solo il 5% della natura del nostro Universo,

and the rest is totally dark to us.

mentre siamo totalmente all’oscuro del resto.

The third problem concerns how we've come to exist at all.

Il terzo problema riguarda la nostra stessa esistenza.

Now, fundamental particles of matter have their own antimatter particles,

Ad ogni particella fondamentale della materia

corrisponde una particella di antimateria,

which are the same as their normal matter counterparts,

identica alla sua controparte di materia ordinaria

except they have opposite positive or negative charge,

ma con carica elettrica opposta, positiva o negativa,

just like the two ends of a normal, everyday battery.

proprio come i due poli di una comune batteria.

Now together, this charge is equal and balanced.

Insieme, queste cariche sono uguali e bilanciate.

The electron, for example,

L’elettrone, ad esempio

which we're a bit more familiar with -- it gives us electricity in our homes --

– che ci è familiare, fornisce l’elettricità alle nostre case –

is negatively charged.

ha carica negativa.

But it has an antimatter partner called the positron,

Ma ha un gemello di antimateria chiamato “positrone”

which is positively charged.

che ha carica positiva.

Now to ensure this balance,

Per garantire questo equilibrio

matter and antimatter are always created and destroyed equally and in pairs.

materia e antimateria vengono create e distrutte in egual misura e in coppia.

This is what all of our theories predict,

È ciò che prevedono tutte le nostre teorie

and this is what we observe in all of our experiments.

ed è ciò che osserviamo in tutti i nostri esperimenti.

And so in the Big Bang,

Quindi ci saremmo aspettati che durante il Big Bang

we would [have] expected that matter and antimatter

materia e antimateria sarebbero state create in quantità uguali

would have been created in equal amounts,

e quindi ci aspetteremmo di vedere quantità uguali di materia e antimateria

and so we would expect to see equal amounts of matter and antimatter

in the universe today.

nell’Universo attuale.

Tuttavia, quasi ogni struttura di materia,

However, nearly every structure of matter,

every natural structure of matter in our universe --

ogni struttura naturale di materia dell’Universo

you, me, the Earth, the stars --

– voi, me, la Terra, le stelle –

are made almost entirely of normal matter,

è composta quasi interamente da materia ordinaria,

leaving a lot of antimatter missing from the balanced equation.

lasciando fuori dall’equazione moltissima antimateria.

For all you Marvel and Avengers fans out there,

Per chi di voi è fan della Marvel e degli Avengers,

it's a bit like someone's just snapped their fingers,

è come se qualcuno avesse schioccato le dita

and half of all the natural stuff in the universe has disappeared.

facendo sparire metà delle cose naturali dell’Universo.

There literally should be

Dovremmo essere circondati dall’equivalente di un altro Universo,

another universe's worth of stuff all around us,

but somehow, it's not there.

che per qualche motivo non c’è.

And one of the greatest challenges in particle physics today

Una grande sfida della fisica delle particelle

è capire cosa sia successo a quell’antimateria

is to figure out what happened to all the antimatter

and why we see an asymmetry between matter and antimatter at all.

e perché osserviamo questa asimmetria tra materia e antimateria.

So those are three of the big mysteries about our universe.

Questi sono tre grandi misteri del nostro Universo

And that's a lot of what we don't know.

e una grossa fetta di ciò che non sappiamo.

Now, what this means

Significa che la nostra conoscenza attuale dell’Universo

is our current understanding of the universe, up until this point,

can't tell us why the universe is the way it is,

non può spiegarci il perché della sua natura,

or what 95 percent of it is made of.

o di cosa è composto per il 95%.

But importantly, each of these mysteries --

Ma soprattutto, tutti questi misteri

what is dark energy, what is dark matter

– che cosa sono l’energia oscura e la materia oscura,

and the matter-antimatter asymmetry in the universe --

e l’asimmetria materia-antimateria –

could all be solved by finding a new particle

potrebbero essere risolti scoprendo una nuova particella

or a new force of nature.

o una nuova forza fondamentale.

So now, let me introduce you

Ora lasciate che vi presenti la nostra attuale conoscenza dell’Universo.

to our current understanding of the universe.

This is it.

Eccola qui.

The standard model of particle physics,

Il modello standard della fisica delle particelle è l’equazione

the mathematical equation, which I’m sure you’re all very used to.

– che di certo conoscete – (risate)

(Laughter)

Which describes how our universe works.

che descrive il funzionamento del nostro Universo.

You can think of it as the recipe

Potete considerarla la ricetta

for how all the particles and forces in the universe

per capire come le particelle e le forze dell’Universo

interact and result in the structures of matter

interagiscono e danno origine alle strutture della materia

that we see around us.

che vediamo intorno a noi.

Now this equation represents a huge level of achievement

Questa equazione è un enorme traguardo raggiunto nel corso dell’ultimo secolo,

over the past 100 years,

and in its full form, it's much longer, but simplified,

e nella sua forma completa è molto più lunga

ma così semplificata offre, credo,

like this,

you see a very elegant, I think,

elegant representation of the structure of matter.

un’elegante rappresentazione della struttura della materia.

And then, if that equation is the recipe,

E se questa equazione è la ricetta,

then these are the ingredients.

allora questi sono gli ingredienti.

Just 17 ingredients, 17 fundamental particles,

Solo 17 ingredienti, 17 particelle fondamentali

where "fundamental" here means they're not known to have a substructure,

dove “fondamentali” significa prive di sottostruttura,

they're not known to be composed of any smaller particles.

riteniamo che non siano composte da particelle più piccole.

And together with the equation on the previous slide,

E insieme all’equazione della slide precedente

they make up the standard model of particle physics.

formano il modello standard della fisica delle particelle.

And it is our best, most tested and globally accepted theory

Ed è la nostra teoria migliore, quella più testata e condivisa

of all the known particles and forces in the universe.

per tutte le particelle e le forze conosciute nell’Universo.

And it's given rise to much of what we take for granted

E ha dato origine a gran parte di ciò che diamo per acquisito

in the modern world of today.

nell’attuale mondo moderno.

A good example would be our ability now to harness the energy from the Sun,

Un buon esempio è la nostra capacità di sfruttare l’energia del Sole,

where our ability to use solar power and our moves towards nuclear fusion

perché la capacità di usare l’energia solare

e i nostri progressi verso la fusione nucleare

couldn't be possible

non sarebbero possibili senza una comprensione delle particelle

without understanding the particles and forces of the standard model.

e delle forze del modello standard.

Now, whilst the standard model has been so successful

Nonostante il modello standard sia stato così efficace

at testing the phenomena that we can test here on Earth,

nel testare i fenomeni che possiamo testare qui sulla Terra,

it cannot accommodate and has no explanation for

non si adatta e non ha una spiegazione

those big mysteries about our universe.

per quei grandi misteri sull’Universo.

And so it's at this point that I'd like to introduce you

Ed è quindi il momento di presentarvi una particella speciale

to a particular particle,

and the hero of our story, the muon.

e l’eroe del nostro racconto: il muone.

Now, muons may seem unfamiliar to you all,

Potreste non avere familiarità con i muoni,

but actually, they’re around us all the time.

ma in realtà ne siamo circondati.

Cosmic rays that hit the Earth's atmosphere

I raggi cosmici che colpiscono l’atmosfera

result in showers of muons that constantly bombard the Earth.

provocano continue piogge di muoni che bombardano la Terra.

You may be surprised to learn, for example,

Potreste essere sorpresi di scoprire, ad esempio,

that there are, on average, 30 muons

che in media siete attraversati da 30 muoni ogni secondo.

traveling through each and every one of you every second.

Now, muons can be thought of, quite simply,

Potremmo considerare i muoni come i cugini pesanti dell’elettrone.

as the heavy cousin of the electron,

Si trovano accanto all’elettrone in questa immagine

and they sit next to the electron in this picture,

and they're about 200 times heavier.

e sono circa 200 volte più pesanti.

But importantly, they’re an ideal tool for physicists to use

Ma, soprattutto, per i fisici rappresentano lo strumento ideale

to search and look for new particles and forces

per cercare nuove forze e particelle

to explain those big mysteries.

che spieghino questi grandi misteri.

And so why is that?

Come mai?

Well, let's assume for a second that we can represent a muon

Bene, supponiamo di poter rappresentare un muone

by this gyroscope.

con questo giroscopio.

When you spin a gyroscope,

Quando si fa girare un giroscopio,

it wobbles around its axis, just like that.

questo oscilla così, attorno al proprio asse.

And muons have an identical behavior

E i muoni si comportano allo stesso modo:

when you place them in a magnetic field, they spin and they wobble.

posti in un campo magnetico, ruotano e oscillano.

Now whilst they're doing this,

Mentre lo fa, il muone entra in contatto

the muon will come into contact

with any and all other particles in the universe,

con le altre particelle dell’Universo,

standard model or otherwise.

del modello standard o meno.

And in fact, it's the interaction of the muon with those other particles

Anzi, è l’interazione del muone con le altre particelle

that defines how fast it wobbles.

a determinare la sua velocità di oscillazione.

In essence, the more different particles

In sostanza, più particelle rimbalzano sul muone

that bounce off the muon whilst it is wobbling,

mentre questo oscilla, più l’oscillazione accelera.

the faster it will wobble.

And so then this is what we want to measure --

Ed questo che vogliamo misurare:

how fast muons wobble in a magnetic field

la velocità di oscillazione dei muoni in un campo magnetico

due to their interaction with all the particles and forces

causata dalla loro interazione con le particelle e le forze dell’Universo.

in the universe.

Now so far, no new particle or force outside of the standard model

Finora non sono state scoperte nuove forze o particelle

al di fuori del modello Standard

that could explain those big mysteries about our universe

in grado di spiegare quei grandi misteri sull’Universo.

has ever been discovered.

But the point to reemphasize

Ma il punto centrale è questo:

is that the rate or the speed by which muons wobble

la velocità di oscillazione dei muoni in un campo magnetico

when we place them in a magnetic field

is directly defined by all the particles and forces in the universe

è determinata dalle particelle e dalle forze dell’Universo

that it comes into contact with.

con cui entrano in contatto.

And so, if we can measure very precisely how fast they wobble,

Quindi, se misurassimo con estrema precisione la velocità di oscillazione,

we can then compare that to the theoretical prediction

potremmo confrontarla con la velocità prevista dai modelli teorici

of how fast they should wobble

from just the particles and forces of the standard model.

che considerano solo le particelle e le forze del modello standard.

And then, if the measurement was found to be different and larger and disagree,

Se la misura risultasse diversa, più grande e quindi discordante,

then it would be an indication of new particles or forces

suggerirebbe la presenza di particelle e forze esterne al modello standard

outside of the standard model

that could explain those big mysteries about our universe.

che potrebbero spiegare quei grandi misteri sull’Universo.

An experiment I work on has done just that.

Un esperimento su cui lavoro ha fatto proprio questo.

This is the Muon g-2 experiment located at Fermilab,

Questo è l’esperimento Muon g-2 al Fermilab, alla periferia di Chicago.

on the outskirts of Chicago.

This ring, which you can see here,

L’anello che vedete ha un diametro di circa 20 metri

is about 20 meters in diameter,

and it's what's called a storage ring magnet.

ed è chiamato “anello di accumulazione”.

It's a ring in which we store muons inside a magnetic field,

In questo anello i muoni sono intrappolati in un campo magnetico che li fa oscillare.

which causes them to wobble.

We then make our measurements of how fast they wobble

Quindi misuriamo la velocità di oscillazione

and compare that to the theory.

e la confrontiamo con la teoria.

Now, this experiment released its first result in April of 2021,

Questo esperimento ha pubblicato il suo primo risultato nell’aprile del 2021

and the take-home message of this talk

e il fulcro di questo talk

is that the result I am presenting to you here today,

è che il risultato del Muon g-2 di cui vi sto parlando oggi

from the Muon g-2 experiment,

is the closest glimpse that we've had to seeing a new particle or force

è ad oggi il più chiaro indizio di una nuova forza o particella

here in a laboratory on Earth.

ottenuto in un laboratorio qui sulla Terra.

E questo è il risultato.

And this is that result here.

So let me take some time to explain to you what this graph is showing.

Permettetemi di spiegare con calma cosa mostra questo grafico.

On the x-axis are the values for how fast muons wobble

I valori sull’asse x indicano la velocità di oscillazione dei muoni

when we place them in a magnetic field.

intrappolati in un campo magnetico.

The green marker on the left

Il pallino verde a sinistra

is the theoretical prediction for how fast they wobble,

è la previsione teorica della velocità di oscillazione

from just the particles of the standard model,

dovuta alle sole particelle del modello standard,

and the green band defines the uncertainty on that prediction.

e la banda verde indica il margine di incertezza della previsione.

The orange marker on the right is the new experimental measurement

Il pallino arancione a destra è la nuova misura sperimentale

from the Fermilab Muon g-2 experiment,

dell’esperimento Muon g-2 del Fermilab,

and the orange band defines the uncertainty on that measurement.

e la banda arancione è il margine di incertezza della misurazione.

And by uncertainty, I mean we're statistically certain

E con “incertezza” intendo dire che siamo statisticamente certi

that both the prediction and the measurement,

che i valori della previsione e della misurazione

the value for each should be inside their respective bands.

dovrebbero rientrare nelle rispettive bande.

And what you can see is not only do those bands not overlap,

E potete notare che non solo le bande non si sovrappongono

but they differ by quite a large amount,

ma sono anche ben separate:

lo spazio bianco al centro mostra una chiara discrepanza tra i due valori.

that white gap in the middle indicating a clear disagreement

between the two values.

What this means is that when muons are placed in a magnetic field,

Significa che i muoni intrappolati in un campo magnetico

they wobble faster than what the theory predicts.

oscillano più velocemente di quanto previsto dalla teoria.

So all the known particles and forces of the standard model

Quindi le particelle e le forze note del modello standard

have failed to predict how fast muons have wobbled.

non sono riuscite a prevedere la velocità di oscillazione dei muoni.

And what does this suggest?

Cosa suggerisce tutto questo?

Well, it suggests that there are new particles or forces

Suggerisce che ci sono nuove particelle o forze

that aren’t part of that globally accepted theory

sconosciute alla teoria globalmente accettata

interacting with the muons and causing them to wobble faster.

che interagiscono con i muoni facendoli oscillare più velocemente.

Now, a reason why physicists are so excited about this result

I fisici sono così entusiasti di questo risultato

is that the chance that this result is a fluke, statistically,

perché la probabilità statistica che il risultato sia casuale

is one in 40,000.

è di 1 su 40.000.

So that's the same as saying that there's a 99.9975 percent chance

Equivale a dire che c’è una probabilità del 99,9975%

that we've seen the influence of a new particle or force

di aver visto l’influenza di una nuova particella o forza

here, in a laboratory on Earth.

qui, in un laboratorio sulla Terra.

But a word of caution.

Una parola di avvertimento.

Physicists actually set a much stricter threshold

I fisici hanno stabilito una soglia molto più severa

by which they can claim a discovery,

per poter dichiarare una scoperta,

and that is the chance the result is a fluke

ovvero che la probabilità che si tratti di un caso

cannot be more than one in 3.5 million.

non può essere superiore a 1 su 3,5 milioni.

And so we haven't reached that discovery threshold yet,

Quindi non abbiamo ancora varcato quella soglia

and so we can't definitively say

e non possiamo affermare con certezza

that we've seen the influence of a new particle or force.

di aver osservato l’influenza di una nuova forza o particella.

And the reality is that,

E la realtà è che per varcare la soglia di 1 su 3,5 milioni

to reach the one-in-3.5-million threshold,

there's a lot of work to be done.

c'è molto lavoro da fare.

But that work is being done right now

Ma quel lavoro viene svolto proprio ora

and will continue to be done over the coming years.

e continuerà ad essere svolto negli anni a venire.

So what does this all mean?

Cosa significa tutto questo?

Well, first, any result from the Muon g-2 experiment,

Innanzitutto, qualsiasi risultato dell’esperimento Muon g-2

even a result that says there were no new particles or forces,

– anche se smentisse la presenza di nuove forze o particelle –

would be a good result.

sarebbe un buon risultato: questa è la scienza, giusto?

That is science, right?

Sometimes, it's not discovering new things,

A volte non si tratta di scoprire cose nuove:

sometimes, it's just confirming old things.

a volte si tratta solo di confermare quelle vecchie.

And even if that were the case,

E anche se fosse, le ricadute degli esperimenti della fisica delle particelle

the by-products of particle physics experiments

hanno fatto progredire la civiltà umana per gran parte dell’ultimo secolo.

have been advancing human civilization for much of the past 100 years.

Modern electronics, the internet, satellite navigation --

L'elettronica moderna, Internet, la navigazione satellitare:

these are all by-products of particle physics experiments or endeavors.

sono ricadute di esperimenti o imprese della fisica delle particelle .

And there's no telling

E non conosciamo gli eventuali benefici futuri di un esperimento come il Muon g-2.

what experiments like the Muon g-2 experiment

could do for us in the future.

But if that were the case, and we found no new particle or force,

Ma se così fosse, e non trovassimo nuove forze o particelle,

then we wouldn't be able to explain those big mysteries about our universe --

non saremmo in grado di spiegare quei grandi misteri dell’Universo:

what is dark energy, what is dark matter

cos’è l’energia oscura, cos’è la materia oscura

and where did all the antimatter go?

e dov’è finita tutta l’antimateria.

Whatever the outcome,

Qualunque sarà il risultato,

the Muon g-2 experiment will keep releasing results,

nei prossimi anni il Muon g-2 continuerà a condividere i suoi risultati

in the next few years,

that will continue to test our understanding

mettendo alla prova la nostra comprensione del tessuto della realtà.

of the fabric of reality.

I, for one, am really excited about it,

Io, ad esempio, non vedo l’ora e spero che resteremo in contatto

and I really hope you stay tuned with us

to find out if we've definitively discovered a new particle or force,

per potervi annunciare la scoperta di una nuova forza o particella.

for the first time.

Thank you very much.

Grazie mille.

(Applause)

(Applausi)