Particelle e bosoni di interazione del modello standard. Credito:gruppo di dati sulle particelle
L'universo è governato da quattro forze fondamentali:gravità, l'elettromagnetismo e le forze nucleari forti e deboli. Queste forze guidano il movimento e il comportamento di tutto ciò che vediamo intorno a noi. Almeno, questo è quello che pensiamo. Ma negli ultimi anni, c'è stata una crescente evidenza di una quinta forza fondamentale. Una nuova ricerca non ha scoperto questa quinta forza, ma mostra che ancora non comprendiamo appieno queste forze cosmiche.
Le forze fondamentali fanno parte del Modello Standard della fisica delle particelle. Questo modello descrive tutte le particelle quantistiche, compresi gli elettroni, protoni, antimateria e altri. quark, i neutrini e il bosone di Higgs fanno tutti parte del modello.
Il termine "forza" nel modello è un po' improprio. Nel modello standard, ogni forza è il risultato di un tipo di bosone portatore. I fotoni sono il bosone portatore dell'elettromagnetismo. I gluoni sono i bosoni portatori per l'interazione forte, ei bosoni conosciuti come W e Z sono per l'interazione debole. La gravità non fa tecnicamente parte del Modello Standard, ma si presume che la gravità quantistica abbia un bosone noto come gravitone. Non comprendiamo ancora appieno la gravità quantistica, ma un'idea è che la gravità possa essere unita al Modello Standard per produrre una teoria grande unificata (GUT).
Ogni particella che abbiamo scoperto fa parte del Modello Standard. Il comportamento di queste particelle corrisponde al modello in modo estremamente accurato. Gli scienziati hanno cercato particelle oltre il modello standard, ma così lontano, non ne hanno mai trovati. Il Modello Standard è un trionfo della comprensione scientifica. È l'apice della fisica quantistica.
Ma abbiamo iniziato a capire che ha dei seri problemi.
Le osservazioni delle galassie mostrano la distribuzione della materia oscura. Credito:raggi X:NASA/CXC/Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Svizzera/D.Harvey e NASA/CXC/Durham Univ/R.Massey; Mappa ottica e delle lenti:NASA, ESA, D. Harvey (Ecole Polytechnique Federale di Losanna, Svizzera) e R. Massey (Durham University, UK)
Iniziare con, ora sappiamo che il Modello Standard non può combinarsi con la gravità nel modo in cui pensavamo. Nel modello standard, le forze fondamentali si "unificano" a livelli energetici più elevati. L'elettromagnetismo e il debole si combinano nell'elettrodebole, e l'elettrodebole si unisce al forte per diventare la forza elettronucleare. Ad energie estremamente elevate le forze elettronucleari e gravitazionali dovrebbero unificarsi. Esperimenti di fisica delle particelle hanno dimostrato che le energie di unificazione non corrispondono.
Più problematico è il problema della materia oscura. La materia oscura è stata proposta per la prima volta per spiegare perché le stelle e il gas sul bordo esterno di una galassia si muovono più velocemente di quanto previsto dalla gravità. O la nostra teoria della gravità è in qualche modo sbagliata, o ci deve essere qualche massa invisibile (oscura) nelle galassie. Negli ultimi 50 anni, le prove per la materia oscura sono diventate davvero forti. Abbiamo osservato come la materia oscura raggruppa insieme le galassie, come è distribuito all'interno di particolari galassie, e come si comporta. Sappiamo che non interagisce fortemente con la materia normale o con se stessa, e costituisce la maggior parte della massa nella maggior parte delle galassie.
Ma non c'è nessuna particella nel Modello Standard che possa costituire la materia oscura. È possibile che la materia oscura sia composta da qualcosa come piccoli buchi neri, ma i dati astronomici non supportano realmente questa idea. La materia oscura è molto probabilmente costituita da qualche particella non ancora scoperta, uno che il Modello Standard non prevede.
Poi c'è l'energia oscura. Osservazioni dettagliate di galassie lontane mostrano che l'universo si sta espandendo a un ritmo sempre crescente. Sembra che ci sia una sorta di energia che guida questo processo, e non capiamo come. Potrebbe essere che questa accelerazione sia il risultato della struttura dello spazio e del tempo, una sorta di costante cosmologica che fa espandere l'universo. Potrebbe essere che questo sia guidato da una nuova forza ancora da scoprire. Qualunque sia l'energia oscura, costituisce più di due terzi dell'universo.
Tutto ciò indica che il Modello Standard è, nella migliore delle ipotesi, incompleto. Ci sono cose che ci mancano fondamentalmente nel modo in cui funziona l'universo. Molte idee sono state proposte per fissare il Modello Standard, dalla supersimmetria ai quark ancora sconosciuti, ma un'idea è che ci sia una quinta forza fondamentale. Questa forza avrebbe i suoi bosoni portatori e nuove particelle oltre a quelle che abbiamo scoperto.
Non capiamo la maggior parte dell'universo. Credito:Osservatorio a raggi X Chandra
Questa quinta forza interagirebbe anche con le particelle che abbiamo osservato in modi sottili che contraddicono il Modello Standard. Questo ci porta a un nuovo articolo che afferma di avere prove di tale interazione.
L'articolo esamina un'anomalia nel decadimento dei nuclei di elio-4, e si basa su uno studio precedente sui decadimenti del berillio-8. Il berillio-8 ha un nucleo instabile che decade in due nuclei di elio-4. Nel 2016, il team ha scoperto che il decadimento del berillio-8 sembra violare leggermente il Modello Standard. Quando i nuclei sono in uno stato eccitato, può emettere una coppia elettrone-positrone mentre decade. Il numero di coppie osservate ad angoli maggiori è maggiore di quanto previsto dal Modello Standard, ed è conosciuta come l'anomalia Atomki.
Ci sono molte possibili spiegazioni per l'anomalia, compreso l'errore dell'esperimento, ma una spiegazione è che è causato dal bosone del team chiamato X17. Sarebbe il bosone portatore di una (ancora sconosciuta) quinta forza fondamentale, con una massa di 17 MeV. Nel nuovo giornale, il team ha trovato una discrepanza simile nel decadimento dell'elio-4. La particella X17 potrebbe anche spiegare questa anomalia.
Anche se questo suona eccitante, c'è motivo di essere prudenti. Quando guardi i dettagli del nuovo documento, c'è un po' di strano ritocco dei dati. Fondamentalmente, il team presume che X17 sia accurato e mostra che i dati possono essere adattati al loro modello. Dimostrare che un modello può spiegare le anomalie non è lo stesso che dimostrare che il proprio modello spiega le anomalie. Altre spiegazioni sono possibili. Se X17 esiste, avremmo dovuto vederlo anche in altri esperimenti sulle particelle, e non l'abbiamo fatto. Le prove di questa "quinta forza" sono ancora deboli.
La quinta forza potrebbe esistere, ma non l'abbiamo ancora trovato. Quello che sappiamo è che il modello standard non torna del tutto, e questo significa che alcune scoperte molto interessanti stanno aspettando di essere trovate.
