Un nuovo indizio potrebbe rivoluzionare la fisica fondamentale
Una scoperta sorprendente nei laboratori di fisica atomica potrebbe mettere in discussione uno dei capisaldi della scienza moderna: l’esistenza di sole quattro forze fondamentali della natura. Un team internazionale di ricercatori ha infatti osservato anomalie nelle transizioni elettroniche di diversi isotopi del calcio che non si spiegano con le attuali teorie. L’ipotesi più affascinante? L’esistenza di una quinta forza fondamentale, finora sconosciuta.
Cosa sono le forze fondamentali?
In fisica, le forze fondamentali sono le quattro interazioni che regolano tutto ciò che accade nell’universo. Sono:
- Gravità
- Forza elettromagnetica
- Forza nucleare forte
- Forza nucleare debole
Il Modello Standard della fisica delle particelle descrive come queste interazioni governino le particelle subatomiche, ma non spiega fenomeni cruciali come la materia oscura o l’asimmetria tra materia e antimateria. Da anni, gli scienziati ipotizzano l’esistenza di una quinta forza in grado di colmare queste lacune.
Il segnale nascosto negli isotopi del calcio
La scoperta non arriva dai grandi acceleratori di particelle, ma da misurazioni di estrema precisione su atomi di calcio. Gli scienziati hanno analizzato cinque isotopi stabili (Ca-40, Ca-42, Ca-44, Ca-46 e Ca-48), misurando come gli elettroni si comportano quando cambiano livello energetico. Lo studio, pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, è il frutto della collaborazione tra istituti di ricerca in Germania, Svizzera e Australia.
Il King Plot e la deviazione anomala
Utilizzando uno strumento analitico noto come King plot, che mette in relazione cambiamenti tra isotopi, i ricercatori si aspettavano di osservare una relazione lineare, in linea con le previsioni del Modello Standard. Invece, hanno rilevato una deviazione non lineare estremamente significativa: circa 103 deviazioni standard, una probabilità infinitesimale che si tratti di un semplice errore casuale.
“La non linearità osservata – scrivono i ricercatori – non può essere spiegata completamente dai meccanismi previsti dal Modello Standard, come il secondo ordine dello spostamento di massa.”
Il ruolo ipotetico di una nuova particella: il bosone di tipo Yukawa
L’anomalia osservata potrebbe essere spiegata da una nuova particella teorica: un bosone scalare di tipo Yukawa. I bosoni sono particelle che mediano le forze fondamentali. Ad esempio, il fotone media l’elettromagnetismo e il gluone la forza nucleare forte.
Un bosone Yukawa, previsto in modelli fisici oltre il Modello Standard, agirebbe tra neutroni ed elettroni, generando una nuova forza con un potenziale che decresce con la distanza. I suoi effetti sarebbero deboli, ma rilevabili tramite esperimenti estremamente accurati, come quello condotto sugli atomi di calcio.
Spettroscopia quantistica e trappole di Penning: la chiave della precisione
Per ottenere dati così precisi, i ricercatori hanno utilizzato avanzate tecniche di spettroscopia quantistica. In particolare:
- Per il calcio altamente ionizzato (Ca14+), è stata misurata una transizione magnetica con una precisione di circa 150 millihertz, nella gamma dei 570 nanometri.
- Per il calcio una volta ionizzato (Ca+), è stata applicata spettroscopia a correlazione con ioni intrappolati, utilizzando un orologio atomico basato sull’ione Yb+ come riferimento.
Inoltre, mediante un spettrometro di trappola di Penning, è stato possibile determinare con precisione senza precedenti le masse nucleari degli isotopi. Questa tecnologia sfrutta campi elettrici e magnetici per intrappolare ioni e calcolare con grande esattezza le differenze tra isotopi.
Nuove frontiere della fisica atomica
La combinazione di queste tecniche ha permesso di costruire un King plot altamente affidabile, rivelando una deviazione che sfida la fisica attuale. Una volta rimosso il contributo dello spostamento di massa di secondo ordine, il grafico risultava nuovamente lineare: segno che non ci sono altre fonti conosciute di non linearità.
E se non fosse una nuova forza?
Una spiegazione alternativa è che l’anomalia sia dovuta a un fenomeno già noto ma non ancora modellizzato con sufficiente precisione: la polarizzazione nucleare. Questo effetto, ancora poco compreso, potrebbe alterare i risultati in modo simile a una nuova forza.
Secondo gli autori dello studio, migliorare l’accuratezza dei modelli esistenti potrebbe chiarire questa ambiguità. Ridurre l’incertezza al 10% potrebbe permettere di capire se la non linearità osservata sia interamente dovuta alla polarizzazione nucleare oppure a una nuova interazione fisica.
Le implicazioni di una quinta forza fondamentale
Se l’esistenza di una quinta forza fondamentale venisse confermata, si tratterebbe di una delle scoperte più significative nella fisica moderna, paragonabile al rilevamento del bosone di Higgs o delle onde gravitazionali.
Una nuova forza potrebbe:
- offrire una chiave per comprendere la materia oscura
- spiegare le asimmetrie cosmiche
- contribuire a una teoria quantistica della gravità
Anche se per ora non si può parlare di una prova definitiva, i risultati ottenuti definiscono i limiti più stringenti mai osservati sull’eventuale esistenza di nuove interazioni fondamentali.
In sintesi: cosa c’è da sapere sulla possibile quinta forza
- Un team internazionale ha scoperto un’anomalia nelle transizioni elettroniche di cinque isotopi del calcio.
- Il King plot risultante mostra una deviazione non compatibile con il Modello Standard della fisica delle particelle.
- Il fenomeno potrebbe essere causato da un bosone scalare di tipo Yukawa, mediatore di una nuova forza tra neutroni ed elettroni.
- L’esperimento ha utilizzato spettroscopia quantistica ad altissima precisione e uno spettrometro di trappola di Penning.
- Non si esclude che l’anomalia derivi da effetti noti come la polarizzazione nucleare, ma servono calcoli più accurati.
- I risultati impongono i vincoli più stringenti finora sulla possibile esistenza di nuove forze fondamentali.
- Una conferma definitiva aprirebbe scenari rivoluzionari per la comprensione dell’universo invisibile.
