Ipotizzata l’esistenza della Quinta Forza Fondamentale di Michele Zarrella

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I fisici della collaborazione internazionale Fermi Lab di Chicago, con l’esperimento Muon g-2 a cui partecipa attivamente anche una tecnologia messa a punto dai ricercatori dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), hanno scoperto uno scostamento fra una misura molto meticolosa e un calcolo teorico molto preciso del campo magnetico anomalo dei muoni, facendo ipotizzare agli scienziati una nuova forza fondamentale dell’Universo. Il muone è una particella elementare instabile. Ha una vita media di circa 2,2 microsecondi. È simile all’elettrone quindi è elettricamente carico, ma ha una massa 210 volte maggiore di quella dell’elettrone. Si è soliti indicarlo come il cugino “grasso” dell’elettrone. I muoni come gli elettroni sono dotati di spin cioè hanno un moto di rotazione intorno al proprio asse possiamo pensare a una ballerina che ruota su sé stessa. Graficamente lo spin viene indicato con una freccetta che ne indica il verso.

L’odierna fisica delle particelle elementari si basa sul Modello Standard (MS) la teoria fisica subatomica fondata su meccanica quantistica e relatività ristretta. Il MS prevede l’esistenza di quattro forze universali: gravitazionale, elettromagnetica, nucleare debole e nucleare forte. Le interazioni delle particelle sono mediate da campi e le particelle sono descritte tenendo conto delle loro proprietà quantistiche. Nel caso di interazione elettromagnetica il campo quantistico è il fotone, nel caso delle interazioni deboli sono i bosoni W e Z e nel caso delle interazioni forti i gluoni (dall’inglese glue che significa colla) che tengono insieme i quark: i componenti elementari dei protoni e dei neutroni che costituiscono il nucleo dell’atomo. Quindi i protoni, i neutroni e gli atomi hanno una struttura e non sono particelle elementari. Il MS descrive con precisione la proprietà con cui si muovono le cariche elettriche immerse in un campo magnetico. Esse si comportano come, diciamo così, delle trottoline che tecnicamente, abbiamo detto, viene chiamato spin. Nel 1928 Paul Dirac (1902-1984) scrisse l’equazione per calcolare il fattore quantistico con cui correggere questa proprietà di spin di una particella carica in mezzo ad un campo magnetico e questo è chiamato fattore g. Ecco perché l’esperimento del Fermilab è stato nominato Muon g-2. L’esperimento è consistito nell’immergere in un acceleratore del laboratorio un fascio di muoni in un campo magnetico di circa 1,4 tesla, simile al campo di una risonanza magnetica, e farlo girare – grazie alla forza di Lorentz – in un’orbita circolare a velocità prossima a quella della luce. Oltre a correre a quasi 300.000.000 m/s su quest’orbita il muone gira su sé stesso e la freccetta che indica lo spin ruota, descrivendo un cono, in un moto che viene detto moto di precessione. Possiamo pensare al moto di precessione dell’asse terrestre. Bene. Quello che l’esperimento ha misurato in maniera estremamente precisa è la frequenza di precessione che è risultata diversa rispetto alla quella prevista dalla teoria. Parliamo di precisone altissima: una parte su un milione. La sostanza è: qualcosa non torna. Se i due valori non coincidono, manca qualcosa. Che cosa? I ricercatori non lo sanno, ma resta il fatto: la misura precisissima dell’esperimento dà un valore diverso dal valore atteso secondo la teoria. Tutto questo fa ipotizzare che oltre alle interazioni conosciute ci possa essere un tipo di interazione che non conosciamo. In questo senso l’esperimento apre la mente a poter ipotizzare possibili nuove interazioni e/o nuove particelle virtuali che hanno potuto concorrere al risultato. Calma. Questo risultato non ci fa gridare “Eureka”, perché esso ha raggiunto 4,2 deviazioni standard (4,2 σ) e ci fa dire che c’è una probabilità su 40.000 che abbiamo bisogno di un’altra fisica per spiegare il fenomeno. Pur essendo la fluttuazione statistica uno su 40.000 un numero bassissimo non è sufficiente per potere definire una scoperta scientifica. Abbiamo bisogno di ulteriori conferme. In campo scientifico il concetto di scoperta è molto arduo. Occorre raggiungere 5 σ cioè 5 deviazioni standard. Ora 4,2σ è vicino a 5σ ma non è stata raggiunta ancora la meta. Per poter arrivare a 5 deviazioni standard occorre portare la fluttuazione statistica al di sotto di una parte su 2 milioni. Quindi occorrerà esaminare ulteriori dati. Se fino ad oggi sono stati analizzati più di 8 miliardi di muoni per arrivare a 5σ si dovranno analizzare dati almeno 4 volte tanto. I ricercatori hanno acquisito dati per 10 volte tanto. Li stanno analizzando ed è probabile che in un paio d’anni l’analisi sarà completata. Restiamo in attesa. Certo è che se fosse confermata sarebbe l’indicazione di una nuova fisica.

La ricerca scientifica ha fatto grandi scoperte e continua a farne nell’Universo osservabile, ciononostante ci resta oscuro circa il 95% dell’Universo intero. Questo nuovo esperimento, come tanti altri nel mondo, sono tesi alla conoscenza di tutte le forze che agiscono nelle particelle elementari e l’esistenza di una quinta interazione è una di queste, ma non la sola. Tutto questo lavoro per scoprire come è costituita la materia-energia al fine di descrivere l’Universo sia nelle sue forme elementari, infime quali quark, bosoni, gluoni che nelle forme enormi, incommensurabili dei super-ammassi di galassie, dei buchi neri.

I media scientifici hanno trasmesso con la dovuta cautela la rivoluzionaria notizia dell’esperimento al Fermi Lab di Chicago che ipotizza quindi l’esistenza di una quinta forza universale. Interpellato via e-mail, a riguardo dell’eclatante notizia, il professore Antonio Ereditato, Visiting Professor – Physics Dept. – University of Yale – Fermilab – Em. Professor – LHEP – University of Bern, scrive: «dobbiamo tener presente che innanzi tutto si tratta di un risultato interlocutorio non ancora con i crismi della scoperta. In secondo luogo, il risultato riguarda una discrepanza tra una misura accurata e un calcolo teorico altrettanto preciso. La discrepanza, in linea di principio, potrebbe ancora essere dovuta a errori nella stima di uno dei due ingredienti. Terzo, trattandosi di una particella “semplice” come il muone se fosse confermata sarebbe ovviamente l’indicazione di una nuova fisica. L’esistenza di una quinta interazione fondamentale è una di queste, ma non la sola. Morale: come sempre nella scienza, prudenza e dubbio metodologico!».

Michele Zarrella