La quinta forza

La quinta forza

Una quinta forza fondamentale della natura… per ora solo ipotetica

di Fausto Intilla – Oloscience

La fisica moderna ammette quattro forze fondamentali nell’Universo: la gravità, l’elettromagnetismo,
l’interazione nucleare forte e quella debole. Esse sono all’origine di tutti i fenomeni fisici che
si possono osservare. La gravità è descritta dalla Relatività Generale, mentre le altre tre forze
appartengono al campo della meccanica quantistica. Riunire queste quattro interazioni in un unico
formalismo matematico, è una delle grandi sfide della fisica. Tali sforzi si concentrano
generalmente su una descrizione quantistica della gravitazione. Nel Modello Standard della fisica
delle particelle, ogni forza emerge dallo scambio di bosoni. Il fotone, il gluone e i bosoni W e Z,
permettono in tal modo rispettivamente di spiegare l’elettromagnetismo e le interazioni forte e
debole. Idealmente, occorrerebbe dunque scoprire un altro bosone: il gravitone; che ci permetterebbe
di far rientrare anche la gravità in questo modello (ma è quasi del tutto certo che in natura vi
siano soltanto le quattro forze fondamentali poc’anzi citate).

Occorre inoltre tener presente che il principio di indeterminazione di Heisenberg dà la relazione
tra la massa della particella portatrice e il raggio d’azione della forza da essa mediata. Tale
raggio d’azione è approssimativamente uguale alla lunghezza d’onda di De Broglie della particella
portatrice e quindi è inversamente proporzionale alla massa di quest’ultima. Così, il fotone e il
gravitone privi di massa mediano le forze a raggio d’azione infinito, rispettivamente,
dell’elettromagnetismo e della gravità. Il raggio d’azione estremamente breve delle interazioni
forte e debole, è semplicemente il “riflesso” della massa molto elevata delle loro particelle
portatrici. Tuttavia, restano senza risposta varie domande che illustrano i pregiudizi e le attuali
aspettative sulle leggi di natura: Esistono principi semplici che impongono quali forze e quali
particelle esistono in natura e il modo in cui esse interagiscono l’una con l’altra? Perché le forze
di natura hanno le intensità che osserviamo? Quali sono i costituenti ultimi della materia, ovvero
le più elementari fra tutte le particelle elementari? Il fatto che tali domande si prospettino è una
prova della nostra profonda fede nella semplicità e nell’unità della natura. A giudizio dei fisici,
il grado di razionalità già scoperto nella struttura della natura, è una prova assai convincente di
una più profonda e omnicomprensiva razionalità che ne regola le entità fondamentali. Le moderne
teorie delle particelle elementari e delle loro reciproche interazioni appartengono tutte a una
famiglia, detta delle “teorie di gauge” (la prima di tali teorie fu la teoria di Maxwell
dell’elettromagnetismo).

Oggi le descrizioni meglio funzionanti di tutte le forze note in natura (gravitazione,
elettromagnetismo, forze deboli e forti) sono tutte teorie di gauge, che si basano interamente sulle
simmetrie. Si tratta tuttavia di simmetrie ben diverse dalle semplici traslazioni e rotazioni
geometriche a cui potremmo immediatamente pensare e vengono appunto dette: simmetrie di gauge (che
non portano alla conservazione di certe grandezze, ma impongono restrizioni matematiche molto rigide
alla struttura dettagliata). Ad esempio, la richiesta di simmetria di gauge per equazioni di Maxwell
classiche e quantistiche vieta l’esistenza di un fotone dotato di massa e regola il preciso modo
secondo cui le particelle elettricamente cariche, interagiscono con la luce. È vero dunque che le
teorie di gauge prescrivono quale tipo di particelle è consentito, ma purtroppo esse non specificano
quante varietà esistano di ciascuna particella consentita. In sostanza, la simmetria di gauge ci
dice che certe cose sono proporzionali ad altre, ma non fissa i valori delle costanti di
proporzionalità; dice qualcosa sulla configurazione delle leggi di natura, ma non sulla popolazione
dei tipi di particelle, né sui valori delle costanti di natura. Risulta dunque ovvio che queste
teorie di gauge, non rappresentano le descrizioni ultime della natura.

Da qualche decennio a questa parte, la cosmologia ha fatto emergere un certo numero di problemi che
difficilmente si possono spiegare con il solo impiego delle quattro forze fondamentali della natura.
Si tratta in genere quasi sempre di problemi legati alla materia oscura e all’energia oscura. La
domanda che tutti i fisici e i cosmologi si pongono, è perché l’apparente massa dell’Universo sembri
essere ben superiore a quella che la sua luminosità ci porterebbe a considerare; ed inoltre, perché
la sua espansione continua ad accelerare (raramente, tuttavia, la comunità scientifica considera con
attenzione la possibilità che la parte finita di Universo accessibile alle nostre osservazioni non
contenga informazioni sufficienti a consentire di dedurre le leggi di natura). Effettuando
osservazioni astronomiche corrispondenti a miliardi di anni luce, si è scoperto che le equazioni
della Relatività Generale in tale contesto, non sono soddisfatte neanche se si aggiunge la materia
oscura. Sembra che l’espansione dell’Universo, messa in moto dal Big Bang circa 13,7 miliardi di
anni fa, stia accelerando, mentre, data la materia osservata più la quantità calcolata di materia
oscura, dovrebbe fare l’opposto, ossia decelerare. Si è dunque ipotizzata un’altra forma di
materia-energia (si ricordi sempre l’uguaglianza: E=mc^2), che diventa pertinente a scale
“infinitamente” grandi e che influenzi soltanto l’espansione dell’Universo, a cui è stato dato il
nome di energia oscura. Le più recenti misurazioni astronomiche rivelano un Universo che consiste
per lo più di elementi sconosciuti. Sembra che la densità della materia sia almeno per il 70% sotto
forma di energia oscura; il 26% sarebbe materia oscura e solo un modesto 4% sarebbe costituito da
materia ordinaria.

Tutte queste constatazioni, hanno portato la comunità scientifica a considerare l’eventualità di una
quinta forza fondamentale nell’Universo, in grado di spiegare almeno in parte, le recenti
osservazioni astronomiche. Vi sono vari modi per riuscire a capire se esista realmente una quinta
forza fondamentale e uno di questi, ad esempio, consiste nel cercare delle nuove particelle.
Occorrerebbe dunque trovare un nuovo bosone, che supporterebbe una quinta interazione fondamentale.
Ebbene nel 2015, un gruppo di ricercatori è riuscito ad identificare un possibile candidato, ovvero
una particella che è stata in seguito denominata: X17. Ancora oggi, si tratta comunque solo di
un’ipotesi, poiché tale particella non è mai stata osservata. Essa è stata ideata per spiegare il
sorprendente risultato di vari esperimenti, inerenti alla disintegrazione del Berillio 8 e dell’Elio
4. In un recente articolo pubblicato il 23 ottobre di quest’anno (2019), lo stesso gruppo di
ricercatori ritorna sulle osservazioni inerenti alla disintegrazione dell’Elio 4. Quest’ultimo è un
radioisotopo molto instabile; esso si disintegra emettendo delle coppie elettrone-positrone e il
numero di coppie emesse, in certe correlazioni angolari, sembrerebbe violare le predizioni del
modello Standard della fisica delle particelle. Si tratta di un’osservazione che è stata denominata:
anomalia Atomki. Questa anomalia, tuttavia, vìola solo leggermente il Modello Standard; un errore di
misurazione è quindi sicuramente possibile. Il gruppo di ricercatori che ha conseguito tale
risultato, rimane comunque dell’idea che potrebbe trattarsi dell’operato di un bosone ancora
sconosciuto, avente una massa di 17 MeV. Un nuovo bosone e una nuova forza fondamentale,
rappresenterebbero sicuramente un punto di svolta decisivo nel campo della fisica. Esso ci
costringerebbe a rivedere le nostre teorie sul modo in cui funzionano realmente tutti i processi
atomici e subatomici e sull’evoluzione dell’Universo. Per cui occorreranno delle prove assai più
consistenti, affinché l’attuale ipotetica (per ora) particella X17, possa un giorno convincere
l’intera comunità scientifica della sua reale esistenza e dunque a modificare l’attuale Modello
Standard.