La quinta dimensione potrebbe essere raggiunta grazie a una particella. Sembra l’introduzione di un romanzo di fantascienza, invece è il risultato di un recente studio che cerca di fare luce su alcuni dei misteri che la scienza non ha ancora svelato.
La scoperta di questa particella potrebbe “fornire una spiegazione naturale” per l’abbondanza di materia oscura, una forma di materia sconosciuta che rappresenta la maggior parte della massa dell’universo, e risolvere problemi sulle particelle subatomiche note come fermioni. La nuova ricerca, è stata pubblicata in The European Physical Journal C.
Lo studio sostiene che “una nuova fisica” può spiegare questi misteri fondamentali presentando un modello dell’universo con una quinta dimensione che può essere attraversata dalle particelle.
Lo studio è stato scritto da Javier Castellano e Matthias Neubert, fisici teorici del PRISMA + Cluster of Excellence dell’Università Johannes Gutenberg di Mainz, e Adrián Carmona, un borsista Athenea3i del dipartimento di fisica teorica e cosmo dell’Università di Granada.
“Abbiamo lavorato su un argomento simile per un bel po’ di tempo”, ha detto il team in una e-mail.
“La nostra motivazione iniziale era di spiegare la possibile origine delle masse dei fermioni nelle teorie con una dimensione extra deformata”.
“Sapevamo che le masse di questi componenti avevano alcune caratteristiche speciali, che chiedevano una spiegazione”, hanno aggiunto.
I ricercatori sono tra quelli che si chiedono se le quattro dimensioni che gli esseri umani possono comprendere siano davvero tutto ciò che l’universo ha da offrire. La loro ricerca ha prodotto equazioni di campo a 5 dimensioni che rappresentano le implicazioni che la quinta dimensione avrebbe sull’universo e sulla realtà.
Durante la ricerca di queste equazioni in relazione alle masse di fermioni, il team ha tratteggiato l’esistenza di un nuovo campo scalare associato a una particella ipotetica che è più o meno simile al campo di Higgs associato al bosone di Higgs.
“Abbiamo scoperto che il nuovo campo scalare aveva un comportamento interessante e non banale lungo la dimensione extra”, ha spiegato il team. “Poiché questa nuova particella ha proprietà quantistiche molto simili al bosone di Higgs, è stato molto naturale presumere che le due particelle dovessero mescolarsi tra loro, il che significa che le loro funzioni d’onda quantomeccaniche sono intrecciate”.
Mentre studiavano questa ipotesi, i fisici si sono accorti che la particella pesante poteva offrire “uno sguardo unico” sulla materia oscura perché sarebbe stata in grado di mediare una nuova forza che collega la materia oscura e la sua controparte visibile più familiare, la materia ordinaria che possiamo rilevare con l’astronomia tradizionale basata sulla luce.
“Se questa particella pesante esiste, collegherebbe necessariamente la materia visibile che conosciamo e che abbiamo studiato in dettaglio con i costituenti della materia oscura, supponendo che la materia oscura sia composta da fermioni fondamentali, che vivono nella quinta dimensione”, Hanno spiegato i fisici.
“Questa non è un’idea inverosimile, dal momento che sappiamo che la materia ordinaria è fatta di fermioni e che, se questa dimensione extra esiste, molto probabilmente si propagheranno in essa”, hanno osservato.
I modelli che spiegano la particella ipotetica non sono in conflitto con le prove osservative dell’abbondanza di materia oscura nell’universo. Questo accordo generale con l’evidenza empirica, insieme al lavoro matematico nello studio, dimostra che la particella potrebbe essere “un possibile nuovo messaggero per il settore oscuro”, hanno affermato i ricercatori.
“Pertanto, confermare l’esistenza di una tale nuova particella scalare aprirà un percorso eccitante verso la possibile scoperta della materia oscura”, ha detto il team. “Questo ci fornirà in particolare informazioni molto utili sulla possibile gamma di massa della materia oscura e le sue interazioni con le particelle che conosciamo oggi”.
Confermare la quinta dimensione
Dopo aver determinato le basi matematiche, ora i ricercatori devono trovare la particella e la quinta dimensione nascosta. Un’altra particella importantissima è stata scoperta grazie al Large Hadron Collider (LHC) in Svizzera nel 2012, il bosone di Higgs, purtroppo questa macchina non ha l’energia sufficiente a per scoprire la nuova particella, troppo “massiccia” per essere prodotta.
Sebbene la particella potrà essere scoperta da una nuova generazione di collisori, come l’International Linear Collider, il Compact Linear Collider (CLIC) e il Future Circular Collider, i ricercatori hanno affermato che “a causa della sua grande massa le prospettive per un tale la scoperta diretta sembra molto impegnativa anche alle alte energie discusse per una macchina del genere (100 TeV)”.
Anche così, i ricercatori ritengono che la particella potrebbe essere rilevata in modo più indiretto, ad esempio attraverso l’osservazione delle onde gravitazionali, che sono increspature nello spaziotempo che possono essere generate dalla collisione di oggetti massicci come buchi neri e stelle di neutroni.
“Un’altra possibilità, che non abbiamo ancora esplorato, è che questa nuova particella potrebbe svolgere un ruolo importante nella storia cosmologica dell’universo e potrebbe produrre onde gravitazionali che possono essere cercate con futuri rilevatori di onde gravitazionali”, hanno aggiunto i ricercatori .
I futuri studi sulla materia oscura potrebbero contribuire a limitare le probabilità di esistenza della nuova particella, quindi il team è ottimista sul fatto che concettualmente la quinta dimensione si svilupperà insieme ai progressi della fisica delle particelle e della cosmologia.
Al di là delle sue implicazioni legate alla comprensione della materia oscura, la particella, se esiste, potrebbe far luce su dilemmi scientifici di vecchia data come il puzzle del sapore o il problema della gerarchia, aprendo una nuova finestra sull’universo primordiale.
“Si potrebbe studiare il ruolo potenziale svolto dalla nuova particella scalare nella stabilizzazione della dimensione extra”, ha detto il team. “Questo potrebbe anche portare a un’interessante storia cosmologica dell’universo e potrebbe portare alla produzione di onde gravitazionali. Questa è una linea di ricerca interessante, che intendiamo seguire nei prossimi mesi “.
“Si potrebbe anche provare a trovare nuovi modi per sondare questa particella in futuri collisori di adroni”, hanno concluso i ricercatori. “Come puoi vedere, ci sono davvero molte cose a cui puoi pensare!”
