La fisica moderna si occupa di estremi di scala veramente sbalorditivi. La cosmologia rivela la Terra come un minuscolo punto in un universo osservabile che si estende per una sorprendente distanza di 93 miliardi di anni luce. Nel frattempo, i collider di particelle di oggi stanno esplorando un mondo microcosmico miliardi di volte più piccolo dell’atomo più piccolo.
Macrocosmo e Microcosmo
Questi due estremi, le distanze più grandi e più piccole indagate dalla scienza, sono separati da 47 ordini di grandezza. Questo significa uno seguito da 47 zeri, un numero così enormemente grande che non vale la pena cercare di comprenderlo. Eppure, nonostante esplorino distanze e fenomeni così radicalmente diversi, la cosmologia e la fisica delle particelle sono profondamente collegate. Osservare i movimenti di stelle e galassie può rivelare l’influenza di particelle ancora da scoprire, mentre lo studio di particelle fondamentali in laboratorio può dirci qualcosa sulla nascita e l’evoluzione del cosmo.
Intrigantemente, entrambe le discipline stanno lottando con risultati inspiegati che potrebbero indicare l’esistenza di una nuova forza della natura. Se una tale nuova forza fosse confermata, le implicazioni per la nostra comprensione dell’universo, della sua storia e della sua composizione sarebbero profonde.
Le 4 forze che conosciamo
Ci sono quattro forze che già conosciamo.
La gravità governa le scale più grandi, mettendo in ordine i pianeti nelle loro orbite e plasmando l’evoluzione dell’universo nel suo complesso. La forza elettromagnetica dà origine a una vasta gamma di fenomeni, dal campo magnetico della Terra alle onde radio, alla luce visibile e ai raggi X, mentre tiene insieme atomi, molecole e, per estensione, il mondo fisico. Nel nucleo atomico emergono due ulteriori forze: la “forza forte“, che lega i nuclei atomici, e la “forza debole“, che tra le altre cose provoca il decadimento radioattivo e consente le reazioni nucleari che alimentano il sole e le stelle.
Lo studio di queste forze ha trasformato la nostra comprensione della natura e ha generato nuove tecnologie rivoluzionarie. Il lavoro sull’elettromagnetismo nel XIX secolo ci ha dato il dinamo elettrico e le trasmissioni radio, la scoperta delle forze forte e debole negli anni ’30 ha portato all’energia nucleare e alle bombe atomiche, mentre la comprensione della gravità ha reso possibile mettere gli astronauti sulla luna e sviluppare satelliti GPS in grado di dirci la nostra posizione ovunque sulla Terra con una precisione di pochi metri. Scoprire una quinta forza sarebbe un premio davvero eccezionale.
Talune evidenze suggeriscono che i fisici potrebbero essere sull’orlo di compiere un tale passo avanti da oltre un decennio. Il primo gruppo di prove proviene dagli esperimenti di fisica delle particelle qui sulla Terra, i cui risultati sembrano contrastare con la nostra attuale migliore teoria delle particelle fondamentali, il modello standard.
Il Modello Standard
Nonostante il suo nome piuttosto poco ispirato, il modello standard è uno dei più grandi successi intellettuali dell’umanità, il più vicino che si sia mai arrivati a una teoria del tutto, ed è passato quasi ogni test sperimentale lanciatogli con i colori più brillanti. Finora almeno.
Tuttavia, gli esperimenti BaBar in California, Belle in Giappone e LHCb al Cern hanno tutti scorto particelle fondamentali esotiche chiamate “quark beauty” comportarsi in modi contrari alle previsioni del modello standard. Nel frattempo, poco fuori Chicago, l’esperimento Muon g-2 di Fermilab ha studiato intensamente un altro tipo di particella fondamentale chiamata muone, scoprendo che emette un campo magnetico leggermente più forte del previsto.
Siamo vicini a scoprire una nuova forza?
Le spiegazioni più entusiasmanti per queste anomalie coinvolgono forze della natura finora sconosciute che alterano sottilmente il modo in cui i quark beauty si trasformano in altre particelle o interferiscono con il magnetismo del muone. Una tale nuova forza potrebbe contribuire a sbloccare una struttura più profonda alla base della realtà, spiegando perché abbiamo le particelle fondamentali nella natura che abbiamo. Un’altra possibilità allettante è che potrebbe agire come un collegamento con l’invisibile “universo oscuro“, composto da materia oscura invisibile.
Detto ciò, per ora il quadro complessivo rimane sorprendentemente oscuro. Poco più di un anno fa, nuovi risultati da LHCb hanno gettato un secchio d’acqua fredda sulle prospettive di una grande svolta, dopo che sono stati scoperti errori mancati in alcune delle misurazioni precedenti. Nel frattempo, i teorici hanno dibattuto su quanto magnetico il muone dovrebbe davvero essere, lasciando aperta la possibilità che questa anomalia sia dovuta a un problema di calcolo.
Forse le prove più convincenti di una nuova forza in azione nell’universo provengono dall’altro capo della scala cosmica. Negli ultimi anni, la cosmologia è stata lacerata da quello che è diventato noto come “crisi di Hubble” – un drammatico disaccordo su quanto velocemente si sta espandendo l’universo.
La teoria cosmologica attuale
Secondo la storia cosmologica accettata, l’universo come lo conosciamo è iniziato con il Big Bang circa 13,8 miliardi di anni fa e si è espanso da allora, con le galassie portate sempre più lontano l’una dall’altra mentre lo spazio tra loro si allunga.
I cosmologi hanno due modi per capire quanto velocemente lo spazio si sta espandendo. Uno coinvolge lo studio di una serie di galassie lontane attraverso telescopi, per poi determinare la relazione tra la loro distanza e quanto velocemente sembrano allontanarsi da noi. L’altro sfrutta mappe esquisite e precise della luce attenuata dal fuoco del Big Bang – noto come “fondo cosmico a microonde” – per dedurre le proprietà dell’universo infantile. Poi si applica la teoria cosmologica attuale per far avanzare l’orologio e prevedere quanto velocemente dovrebbe espandersi l’universo oggi.
Il fatto che questi due metodi diano risposte diverse è la prova più forte che abbiamo che c’è più nell’universo di quanto abbiamo immaginato finora. Le possibilità sono molte. Una proposta popolare coinvolge una forma di energia che ha spinto l’universo a espandersi ancora più rapidamente di quanto si pensasse poco dopo il big bang. Altre coinvolgono “forze oscure” che agiscono nel mondo nascosto della materia oscura. Alcuni hanno addirittura proposto che la gravità stessa si comporti in modo diverso sui vasti spazi tra le galassie.
Una storia di anomalie
Come si concluderà la storia di queste anomalie è incerto. Ma la ricchezza delle prove emergenti suggerisce che la fisica potrebbe essere sull’orlo di qualcosa di grande. La scoperta di una nuova forza segnerebbe l’inizio di una nuova era di esplorazione, offrendo forse una comprensione più profonda dei mattoni di base della natura, o aprendo la porta a un vasto, sconosciuto regno oscuro, che, nonostante sia invisibile, contiene il 95% di tutto ciò che esiste. Tali svolte sono sempre difficili da ottenere, ma seguire le briciole di natura potrebbe presto portare a una nuova visione profonda dell’universo.
