Cern, l’ipotesi della quinta forza fondamentale

La freschissima scoperta dei ricercatori dell’Università di Zurigo e del Cern di Ginevra ha creato scompiglio nel mondo della fisica. Pochi giorni fa è stato infatti osservato un fenomeno che potrebbe ribaltare la moderna concezione dell’Universo, descritto in termini di particelle ed interazioni, portando all’ipotesi di una quinta forza fondamentale. Scopriamo nel dettaglio di cosa si tratta.

Particelle ed Interazioni

Il Modello Standard delle particelle elementari rappresenta la miglior descrizione del reale ottenuta ad oggi, in quanto la maggior parte delle sue previsioni teoriche sono state successivamente verificate sperimentalmente, come la scoperta della particella Ω^– o dei bosoni vettori mediatori dell’interazione debole. Tale modello descrive tre delle quattro interazioni fondamentali note: ovvero l’interazione elettromagnetica, l’interazione forte e l’interazione debole. Esclude l’interazione gravitazionale.

L’interazione elettromagnetica è l’interazione che esiste tra particelle dotate di carica elettrica e comprende sia la forza elettrica che esiste tra cariche ferme che l’effetto di forze di natura elettromagnetica tra particelle in moto relativo. L’interazione debole è invece responsabile dei fenomeni nucleari fra cui il decadimento beta, ovvero la trasformazione di un nucleo in un suo isobaro (nucleo con egual numero totale di neutroni e protoni) contestualmente all’emissione di un elettrone (o di un positrone) e di un neutrino. Le precedenti forze sono unificate nell’interazione elettrodebole.

 Per spiegare la terza ed ultima interazione, cioè la forte, è sufficiente osservare che il nucleo di un atomo è costituito da protoni e neutroni, detti nucleoni, i quali sono confinati in una piccolissima regione di spazio, dell’ordine di 10^-15 metri. I neutroni sono neutri, cioè non interagiscono elettromagneticamente, mentre i protoni hanno carica positiva. La domanda sorge spontanea: se particelle di egual carica si respingono con una forza che aumenta al diminuire della loro reciproca distanza, come è possibile che i protoni siano confinati in una regione di spazio così irrisoria, senza respingersi? Questa è una prova immediata dell’esistenza di una forza nucleare che lega protoni e neutroni. La forza nucleare altro non è che una manifestazione secondaria della forza forte che esiste tra i quark, i costituenti fondamentali dei nucleoni.

Il Modello Standard non si limita alle interazioni, ma si focalizza sulle particelle ad esse collegate. Le particelle si raggruppano in fermioni e bosoni. I fermioni costituiscono la materia ordinaria e si articolano in quark e leptoni. I primi prendono parte a tutte le interazioni fondamentali e hanno la particolarità di avere carica semintera, i secondi non interagiscono per interazione forte e si articolano in leptoni carichi, come l’elettrone, e neutri, come il neutrino. Esistono tre famiglie sia di quark che di leptoni, che si differenziano per la massa delle particelle costituenti. I bosoni sono invece i mediatori delle interazioni. La fisica moderna ha infatti abbandonato l’idea dell’interazione a distanza ed ha introdotto il concetto di particella mediatrice, che trasposta fisicamente l’interazione fra le particelle.  

Fra i bosoni si annovera anche il famoso bosone di Higgs, volgarmente detto Particella di Dio, il quale però meriterebbe un articolo dedicato.

In onor degli esclusi, la forza gravitazionale, pur essendo la forza che ci è più familiare, ha dei piccolissimi effetti nell’interazione tra particelle ed è dunque difficilmente rilevabile. Basti pensare che, se assegniamo alla forza forte intensità 1, a quella gravitazionale si associa intensità 10^-42. 

Cos’è successo

Ci troviamo al CERN, a Ginevra: qui la macchina più potente mai costruita dall’uomo, il Large Hadron Collider (LHC), accelera particelle, in particolare protoni, alle energie più alte mai esplorate dall’uomo agli acceleratori.  Dalla collisione di due protoni fuoriescono milioni di particelle, che vengono studiate da diversi esperimenti. Lo studio di queste interazioni ad altissima energia è cruciale per la nostra comprensione dell’infinitamente piccolo: la fisica subatomica e delle particelle in generale.

Fra gli esperimenti che lavorano all’energia massima di LHC, uno di questi si occupa di studiare il decadimento di particelle pesanti e instabili, chiamati mesoni B, motivo per cui appunto si chiama LHCb.

Il fenomeno di cui si parla è un decadimento di questo mesone B in un “golden channel”, cioè una sorta di canale privilegiato: anziché dare vita a centinaia di particelle difficili da tracciare, questo può decadere in due leptoni.

La misura di cui si sta ampiamente discutendo mira a verificare la cosiddetta “universalità leptonica”, ovvero la proprietà del Modello Standard per cui le interazioni fondamentali hanno la stessa forza per tutte e tre le famiglie di leptoni.

Nello specifico, viene valutato il rapporto di un particolare decadimento in uno stato finale “elettronico” ed uno stato finale “muonico”, che il modello standard prevede essere uguale a 1.

L’esperimento LHCb, dopo anni che vedeva in questo rapporto una leggera anomalia di circa 2.5 deviazioni standard, chiamate σ, ha comunicato che l’anomalia per la prima volta ha superato la soglia di 3 deviazioni standard.”3 σ” è di solito il livello a cui si annuncia una “evidenza”, mentre “5σ ” è il famoso livello per una “scoperta”.

Un risultato di questo tipo potrebbe sfidare la fisica del Modello Standard e fare largo a nuove frontiere, fra cui particelle non ancora scoperte e una quinta forza fondamentale che regola il nostro Universo.

Ottimisti con prudenza

Nonostante l’ipotesi di una fisica inesplorata sia allettante, non possiamo ancora essere certi che al Cern sia stato osservato un nuovo fenomeno fisico: difatti si è trattata di un’osservazione su un singolo esperimento, con tutti i limiti del caso. Per avere un’effettiva conferma, ci sarà bisogno quantomeno di una misura simile da parte di un altro esperimento.

L’interpretazione sarà più chiara quando ci saranno più dati.

Con più umiltà, potremmo dire che è iniziato un percorso che potrebbe portare oltre la nostra attuale comprensione della fisica delle particelle.

Questo articolo è frutto di un lavoro a quattro mani condotto insieme ad Antonio Condorelli, che ringrazio infinitamente per la collaborazione e gli spunti di riflessione.

Per approfondimenti: https://home.cern/news/news/physics/intriguing-new-result-lhcb-experiment-cern

Francesco Carenini

Diplomato al liceo classico, laureato in fisica a Trieste. Mi sono specializzato in astroparticelle alla Sapienza di Roma. Attualmente vivo a Bologna, dove ho iniziato il dottorato.  I miei interessi spaziano l’arte, il cinema, la  letteratura e la scrittura. Sono appassionato di divulgazione scientifica e credo nella sua capacità di insegnare ed emozionare. Ritengo infatti che ragione e passione siano indissolubilmente collegate, in quanto la scienza ci fornisce la chiave di lettura del reale, ma, come diceva Platone, non si può aprire la mente se prima non si apre il cuore.