Particelle Elementari e Cosmologia

La fisica delle particelle elementari ha costruito in questi ultimi anni teorie che cercano di descrivere in maniera unificata le leggi della fisica: il maggiore problema di queste teorie riguarda il fatto che le energie che entrano in gioco nei processi sono cosí elevate ($\ge 10^{11}$ GeV) che non si ha alcuna speranza di ottenerle con la attuale generazione di macchine acceleratrici (che possono attualmente arrivare a $\sim 10^2$ GeV). L'unico sito in cui queste energie sono possibili è durante le primissime fasi della nascita dell'Universo: è quindi nata, dalla applicazione delle Teorie di Grande Unificazione alla cosmologia, una nuova disciplina: la nuova cosmologia.

Questa nuova disciplina prevede l'esistenza di particelle esotiche, non standard, quali il monopolo magnetico. In particolare la teoria prevede che, una volta creato nei primissimi istanti dell'Universo, il monopolo non interagisca piú con la materia ``normale''. A causa della sua elevatissima massa, dell'ordine di $10^{16}$ GeV secondo il modello standard, questo provocherebbe il cosiddetto ``problema del monopolo magnetico'': una sovrabbondanza, ovviamente non osservata, di queste esotiche particelle.

Nel mio lavoro di Tesi Di Laurea ho mostrato che questo problema può essere superato se si assume che la luminosità osservata nei quasar (oggetti molto antichi che emettono energia dell'ordine di $10^{46}$ erg/sec) sia dovuta alla annichilazione monopolo antimonopolo. Ovviamente questo processo sarebbe soltanto il ``motore''; entrerebbero poi in gioco processi di assorbimento e scattering con il mezzo circostante dei fotoni $\gamma$ cosí emessi che non sono stati studiati. Comunque il risultato principale del mio lavoro è stato che l'unico monopolo che dia un risultato consistente con le luminosità osservate nei quasar deve avere la massa di $10^{16}$ GeV, la massa prevista dal modello standard che prevede la rottura di simmetria a partire dal gruppo $SU(3)\times SU(2)\times U(1)$.

Come ulteriore applicazione di fenomeni previsti dalle Teorie di Grande Unificazione ad oggetti di natura astrofisica ho studiato la stabilità delle stelle di neutroni rispetto alla oscillazione neutrone antineutrone. Le Teorie di Grande Unificazione prevedono la possibilità per il neutrone, a causa della non conservazione del numero barionico, di oscillare tra i due stati di neutrone e antineutrone. All'interno di una stella di neutroni questo avrebbe un effetto catastrofico, in quanto a causa delle enormi densità questo provocherebbe la annichilazione dell'antineutrone con un neutrone circostante e quindi la distruzione della stella. In realtà ho mostrato che il numero di neutroni che diventano antineutroni è dell'ordine al piú del 1% rispetto al numero totale di neutroni, producendo una luminosità di solo $10^{21}$ erg/sec e quindi non influenzando l'equilibrio termodinamico del sistema.

Successivamente mi sono interessato al problema teorico riguardante la rivelazione di onde gravitazionali tramite rivelatori elettromagnetici. Ho mostrato che il Sistema di Coordinate (SdC) normalmente utilizzato per le onde gravitazionali, il SdC T-T (dalle iniziali di Traceless-Transverse), è utile solamente per semplicità`a di calcolo ma i risultati ottenuti non hanno alcun significato fisico se si considerano rivelatori elettromagnetici. Per lo studio delle onde gravitazionali in interazione con campi elettromagnetici è necessario porsi in un SdC fisico, cioè ``attaccato'' al rivelatore e non ``attaccato'' all'onda gravitazionale. Infatti nel caso di interazione tra onde gravitazionali e rivelatori meccanici abbiamo che l'interazione dipende dal tensore di Riemann, che è una quantità gauge invariante. Nel caso invece di un rivelatore elettromagnetico questo non è piú vero in quanto le leggi di interazione sono espresse in termini del tensore metrico, il quale non è gauge invariante.

Il SdC normale di Fermi premette di tradurre immediatamente i risultati teorici in evidenze sperimentali. In ho determinato le equazioni di trasformazione tra il SdC T-T ed il SdC normale di Fermi: da queste si dimostra come, ad esempio, il piano $z=0$ nel SdC fisico è visto nel SdC T-T come un paraboloide iperbolico oscillante, rendendo non fisica la trattazione dell'onda gravitazionale in interazione con un rivelatore elettromagnetico nel SdC T-T.

Questo lavoro è stato presentato sia al VI Convegno Nazionale di Relatività Generale e Fisica della Gravitazione tenutosi a Firenze nel 1984 sia al IV Marcel Grossmann Meeting on General Relativity tenutosi a Roma nel 1985.