Fausto Intilla - www.oloscience.com

1. Una quinta forza fondamentale …per ora solo ipotetica.
(di Fausto Intilla – www.oloscience.com )
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’elettromagne-
tismo 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

2. 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

3. per il 70% sotto forma di energia oscura; il 26% sarebbe materia oscura e solo un
modesto 4% è 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.