Il fattore X17: il nuovo bosone ultraleggero che potrebbe rivoluzionare la fisica e risolvere il mistero della materia oscura
Questa particella potrebbe veicolare una "quinta forza" oltre le quattro rappresentate nel modello standard della fisica (gravità, elettromagnetismo, forza nucleare debole e forza nucleare forte) ed aiutare a spiegare la materia oscura, la misteriosa sostanza che gli scienziati ritengono rappresenti oltre l'80% della massa nell'universo
Un team di scienziati unghresi ha recentemente pubblicato un documento che suggerisce l’esistenza di una particella subatomica precedentemente sconosciuta. Il team ha riferito per la prima volta di aver trovato tracce della particella nel 2016 e ora riporta ulteriori evidenze apparse dopo un altro esperimento.
Se i risultati saranno confermati, la cosiddetta particella X17 potrebbe aiutare a spiegare la materia oscura, la misteriosa sostanza che gli scienziati ritengono rappresenti oltre l’80% della massa nell’universo.
Questa particella potrebbe veicolare una “quinta forza” oltre le quattro rappresentate nel modello standard della fisica (gravità, elettromagnetismo, forza nucleare debole e forza nucleare forte).
Atomi devastanti
La maggior parte dei ricercatori che cercano nuove particelle usano enormi acceleratori che distruggono le particelle subatomiche ad alta velocità e guardano cosa viene fuori dall’esplosione. Il più grande di questi acceleratori è il Large Hadron Collider in Europa, dove è stato scoperto nel 2012 il bosone di Higgs, una particella che gli scienziati cacciavano da decenni.
Attila J. Krasznahorkay e i suoi colleghi dell’ATOMKI (l’Istituto di ricerca nucleare di Debrecen, Ungheria) hanno adottato un approccio diverso, sparando protoni contro i nuclei di atomi diversi.
Nel 2016, esaminarono coppie di elettroni e positroni (la versione antimateria degli elettroni) prodotte quando i nuclei di berillio-8 passavano da uno stato ad alta energia a uno stato a bassa energia.
Hanno trovato una deviazione da ciò che si aspettavano di vedere quando c’era un ampio angolo tra gli elettroni e i positroni. Questa anomalia potrebbe essere meglio spiegata se il nucleo emettesse una particella sconosciuta che in seguito “si divide” in un elettrone e un positrone.
Questa particella dovrebbe essere un bosone, che è il tipo di particella che trasporta la forza, e la sua massa sarebbe di circa 17 milioni di elettronvolt. È pesante circa 34 elettroni, cioè piuttosto leggera per una particella come questa (Il bosone di Higgs, per esempio, è oltre 10.000 volte più pesante).
A causa della sua massa, Krasznahorkay e il suo team hanno chiamato l’ipotetica particella X17. Ora hanno osservato alcuni strani comportamenti nei nuclei di elio-4 che possono essere spiegati dalla presenza dell’X17.
Quest’ultima anomalia è statisticamente significativa: un livello di confidenza sigma sette, il che significa che esiste solo una piccolissima possibilità che il risultato si sia verificato per caso.
Si tratta di un risultato che va ben oltre il consueto standard a sigma cinque per una nuova scoperta, quindi il risultato sembrerebbe suggerire che possa esserci della nuova fisica.
La nuova ricerca è guidata da Attila Krasznahorkay (a destra). Attila Krasznahorkay
Verifica e doppio controllo
Tuttavia, il nuovo annuncio e quello del 2016 sono stati accolti con scetticismo dalla comunità dei fisici, uno scetticismo che nessuno manifestò quando due team annunciarono contemporaneamente la scoperta del bosone di Higgs nel 2012.
Ma perché è così difficile per i fisici credere che possa esistere un nuovo bosone leggero come questo?
Innanzitutto, esperimenti di questo tipo sono difficili, così come l’analisi dei dati. I segnali possono apparire e scomparire. Nel 2004, ad esempio, il gruppo di Debrecen ritenne di aver trovato prove che suggerivano la possibile esistenza di un bosone ancora più leggero, ma quando ripeterono l’esperimento il segnale era sparito.
In secondo luogo, è necessario assicurarsi che l’esistenza stessa di X17 sia compatibile con i risultati di altri esperimenti. In questo caso, sia il risultato 2016 con il berillio che il nuovo risultato con l’elio possono essere spiegati dall’esistenza di X17, ma resta necessario un controllo indipendente effettuato da un gruppo separato.
Krasznahorkay e il suo gruppo riportarono già nel 2012 prove deboli (a livello di tre sigma) dell’esistenza di un nuovo bosone nel 2012 in un seminario che si tenne in Italia.
Da allora il team ha ripetuto l’esperimento utilizzando attrezzature aggiornate e ha riprodotto con successo i risultati sul berillio-8, il che è rassicurante, così come i nuovi risultati ottenuti con l’elio-4. Questi nuovi risultati sono stati presentati al simposio HIAS 2019 presso la Australian National University di Canberra.
Cosa c’entra questo con la materia oscura?
Gli scienziati ritengono che la maggior parte della materia nell’universo sia invisibile per noi. La cosiddetta materia oscura interagirebbe molto debolmente con la materia normale. Possiamo dedurre che esiste dai suoi effetti gravitazionali su stelle e galassie distanti, ma non è mai stata rilevata in laboratorio.
Allora, da dove viene X17?
Nel 2003, emerse che potrebbe esistere una particella come la X17, in lavoro co-scritto con Pierre Fayet. Trasporterebbe la forza tra le particelle di materia oscura più o meno come fanno i fotoni, o particelle di luce, per la materia ordinaria.
In uno degli scenari che proposti, le particelle leggere di materia oscura potrebbero talvolta produrre coppie di elettroni e positroni in un modo simile a quello che ha visto il team di Krasznahorkay.
Questo scenario ha portato a numerose ricerche in esperimenti a bassa energia, che hanno escluso molte possibilità. Tuttavia, l’esistenza di X17 non è stata ancora esclusa, nel qual caso il gruppo Debrecen avrebbe potuto davvero avere scoperto come le particelle di materia oscura comunicano con il nostro mondo.
Sono necessarie ulteriori prove
Mentre i risultati del gruppo Debrecen sono molto interessanti, la comunità della fisica non sarà convinta che sia stata effettivamente trovata una nuova particella fino a quando non ci sarà una conferma indipendente.
Quindi possiamo aspettarci molti esperimenti in tutto il mondo mirati a trovare prove dell’esistenza dell’X17 e della sua interazione con coppie di elettroni e positroni.
Se arrivasse questa conferma, la prossima scoperta potrebbe individuare le particelle di materia oscura stesse.
