Indizi di quinta forza e materia oscura?

Tasselli di un puzzle. O forse  tasselli di puzzle diversi. O più probabilmente due tasselli, un biscotto e un lego. Questo è lo stato della fisica fondamentale in questi ultimi anni. I pezzi principali sul tavolo sono:

1. Materia Oscura Tutti cercano – con disperazione crescente – la materia oscura, che costituisce il 23% della massa dell'universo. È quasi un secolo che ne è nota l’esistenza dal movimento delle galassie e degli ammassi di galassie, ma fino a ora tutti gli esperimenti costruiti per rivelarla non ne hanno trovato traccia.

Fino a pochi anni fa, il candidato più promettente era una particella chiamata neutralino. Il nome non vuol dire praticamente niente, dato che non abbiamo la più pallida idea della massa della particella e delle sue proprietà. Con la desinenza –ino i fisici teorici tendono a chiamare tutto lo zoo delle particelle sconosciute, di cui quella che compone la materia oscura dovrebbe essere la più leggera. Neutro vuol dire che non ha carica elettrica: abbiamo quindi il neutrone, presente nell’atomo, e il neutrino, che esiste e  compare nei decadimenti nucleari. Dato che Enrico Fermi ha il copyright di 'neutrino', è stato coniato il termine neutralino per indicare l’ipotetica particella più leggera di questo ancora sconosciuto zoo di nuove particelle.  

2. Forze fondamentali Al momento conosciamo quattro forze fondamentali: elettromagnetica (elettricità, luce, computer), nucleare forte (tiene insieme i nuclei atomici,  buona per centrali e bombe a fissione e fusione nucleare), nucleare debole (importantissima, ma in quanto a usi pratici praticamente inutile) e gravitazionale. È stato dimostrato che la forza elettromagnetica e quella nucleare debole sono due aspetti di una forza più generale, chiamata per par condicio elettrodebole.  Sembrerebbe possibile includere anche la forza nucleare forte in una teoria ancora più generale, ma qui ci fermiamo: l'inclusione della gravità fino ad ora ha eluso ogni tentativo.  

Ciascuna forza ha una o più particelle che ne trasmettono l'effetto a distanza: il fotone per quella elettromagnetica, le W+ W- e Z0 per quella nucleare debole, i gluoni per la nucleare forte e l'ancora inosservato gravitone per quella gravitazionale.

Il neutralino interagirebbe solo tramite la forza gravitazionale (per quello tiene insieme le galassie) e la forza debole (per quello sarebbe quasi invisibile ai nostri rivelatori). Tuttavia mentre siamo certi dell'interazione gravitazionale, non abbiamo alcuna prova che interagisca anche tramite la forza debole, per cui potrebbe anche darsi che la maggior parte degli strumenti che cercano di rivelarlo siano inutili.

3. Energia oscura. Il 75% della massa dell'universo è costituita da un 'qualcosa' che fa espandere l'universo più velocemente di quanto 'dovrebbe'. Anche se si sa come trattare matematicamente questo fenomeno, nessuno sa con certezza quale sia la causa, e tra le varie ipotesi c'è anche quella di una quinta forza che in qualche maniera stia 'soffiando' nello spazio-tempo.

4.  Un articolo del 2015 ha mostrato un eccesso inaspettato di coppie di elettroni e positroni emessi nel decadimento del berillio 8.  Bombardando i nuclei di litio 7 con un fascio di protoni din particolare energia, si producono nuclei eccitati di berillio 8. Questo isotopo è instabile e dopo una frazione di secondo decade, scindendosi di nuovo in un nucleo di litio 7 e in un protone. Tra le altre possibilità di decadimento c'è - nello 0.4% dei casi - quella di emissione di una coppia di elettrone e positrone. La teoria classica di questo tipo di decadimenti calcola correttamente le energie e l'angolo di decadimento di questa coppia. Tutto è come atteso salvo per uno strano picco in cui elettroni e positroni sono emessi a 140 gradi con una energia complessiva di 17 MeV (circa 34 volte la massa dell'elettrone).   

Escludendo l'errore sperimentale (sono state fatte varie verifiche e ne saranno fatte di altre in esperimenti indipendenti), le cause di questo picco possono essere molteplici e dovute a una comprensione incompleta della fisica del decadimento di questi nuclei.

A provare a mettere insieme i pezzi del puzzle è un articolo del 2016. Gli autori ipotizzano che il berillio decada in una particella X, nuova e  sconosciuta, della massa appunto di 17 MeV, che decade a sua volta in una coppia elettrone-positrone. La particella X non sarebbe però il famigerato neutralino, ma la particella che trasmette una nuova, quinta forza. Secondo questa idea il neutralino interagirebbe con questa la quinta forza, tramite  'X' e non tramite l'interazione debole. Questo spiegherebbe perché è stato sino ad ora impossibile osservarlo.

Al momento ci sono vari esperimenti che seguono questa linea di ricerca: LHCb al Cern, DarkLight e HPS al Jefferson Lab, e Padme (sì, è una citazione di Guerre Stellari) presso i Laboratori Nazionali di Frascati dell'INFN, Istituto Nazionale di Fisica nucleare.

Solo il tempo e ulteriori misure potranno dire se  abbiamo davanti la scoperta del secolo, in grado di risolvere questo intricatissimo puzzle oppure un, lego, ossia una interessante ma non rivoluzionaria misura di fisica nucleare.

@casolinomarco