Le leggi della fisica spiegano il Tutto? Nuove prospettive per una nuova fisica

Uno dei problemi più grandi della fisica è che, a parte un paio di misteri per i quali non abbiamo una spiegazione adeguata, tutto ciò che pensiamo di aver compreso funziona estremamente bene. Quasi tutte le modifiche che cerchiamo di apportare al Modello Standard e alla Relatività Generale, le due migliori teorie (anche se fondamentalmente incompatibili) che descrivono l’Universo, sono fortemente vincolate dall’insieme di dati che possediamo

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Uno dei problemi più grandi della fisica è che, a parte un paio di misteri per i quali non abbiamo una spiegazione adeguata, tutto ciò che pensiamo di aver compreso funziona estremamente bene. Quasi tutte le modifiche che cerchiamo di apportare al Modello Standard e alla Relatività Generale, le due migliori teorie (anche se fondamentalmente incompatibili) che descrivono l’Universo, sono fortemente vincolate dall’insieme di dati che possediamo.

Eppure, deve esserci ancora qualcos’altro nell’Universo, in quanto alcuni misteri come la materia oscura, l’energia oscura, e l’asimmetria materia-antimateria ancora non hanno una chiara spiegazione.

Quindi, dove dovremmo guardare per la prossima grande rivoluzione della fisica fondamentale? Quali sono gli ambiti della fisica, per i quali esiste oggi un consenso generalizzato, che si ritiene possano essere scossi da esperimenti che si potranno effettivamente realizzare nei prossimi 20-30 anni?

Per cercare di capire dove siamo diretti, è prima necessario comprendere dove ci troviamo adesso. Sappiamo che viviamo in un Universo in cui il Modello Standard delle particelle elementari spiega con successo tutto ciò che conosciamo e sono state rilevate delle interazioni tra particelle finora mai osservate. L’Universo è costituito da quark, da leptoni e dai bosoni di gauge che mediano tre delle quattro forze fondamentali, così come i bosoni di Higgs danno la massa a riposo a tutte le particelle del Modello Standard dotate di massa.

Poi vi è la Relatività Generale: la nostra teoria (non quantistica) della gravità, che stabilisce la relazione, nell’Universo, tra lo spazio-tempo e la materia/energia. In poche parole, la materia e l’energia indicano allo spazio-tempo come curvarsi, mentre lo stesso spazio-tempo curvo indica alla materia e all’energia come muoversi.



La difficoltà nel superare la Relatività Generale (che riguarda la gravitazione, i buchi neri, l’Universo in espansione e il Big Bang) e il Modello Standard (che si riferisce invece alle altre tre forze, alle particelle e antiparticelle conosciute, oltre che ai risultati di tutti gli esperimenti di fisica delle particelle finora effettuati) è che se si cerca di modificare queste teorie anche con il più semplice degli approcci, si troveranno sempre dei risultati in contrasto con le misure e le osservazioni che possediamo oggi.

Se comunque si vuole andare oltre le attuali conoscenze scientifiche, è necessario superare delle prove abbastanza ardue. In particolare, bisogna superare questi tre ostacoli:

  • è necessario che vengano riprodotti con successo tutti i risultati ottenuti dalla teoria esistente, qualora questi siano validi e rilevanti;

  • è necessario fornire spiegazioni di fenomeni già osservati o misurati, che la teoria esistente non è in grado di spiegare;

  • è necessario esporre una previsione nuova e testabile, che differisca dalla teoria esistente, e successivamente procedere con il test critico della nuova previsione.

Tuttavia, la maggior parte dei tentativi proposti per superare le teorie esistenti è fallita quasi immediatamente. Si dispone di un numero così elevato di test di precisione sia sulla gravità che sulle particelle elementari, che qualunque teoria alternativa si voglia costruire – dalle teorie della gravità modificata alle dimensioni extra fino ad arrivare a nuove simmetrie o unificazioni fondamentali – ha veramente poche possibilità di esistere.

E nonostante questo, vi sono rilevanti evidenze che portano a pensare che ciò che oggi sembra vero, non sia il completamento del Tutto.

Per esempio, i risultati di esperimenti cosmologici ci dicono che le galassie distanti sembrano allontanarsi da noi con una velocità che confligge con un Universo riempito solo da particelle previste dal Modello Standard e governato dalla Relatività Generale.

Sappiamo che le singole sorgenti gravitazionali – le galassie, gli aggregati di galassie e persino la grande rete cosmica – non concordano con le previsioni a meno che non venga aggiunto un nuovo ingrediente, come la materia oscura.

Sappiamo che, nonostante le leggi della fisica governate dal Modello Standard producano o distruggano materia e antimateria nelle stesse quantità, viviamo in un Universo costituito prevalentemente da materia, con una piccolissima percentuale di antimateria.

In altre parole, è possibile affermare che la fisica nota non fornisce spiegazioni plausibili a tutto ciò che viene osservato nell’Universo.

Si hanno delle valide evidenze di cosa potrebbe esserci al di là degli attuali limiti della scienza. Nell’ambito della fisica delle particelle, alcuni esperimenti hanno condotto a risultati inaspettati che, se presi seriamente in considerazione, potrebbero essere rivoluzionari.

Nell’Anomalia di Atomki viene osservato un insieme di particelle in decadimento che mostrano un comportamento alquanto bizzarro e inaspettato, interpretabile come un errore sperimentale, oppure come il segnale di una nuova particella che non appartiene al Modello Standard.

Il controverso esperimento DAMA (Dark MAtter), condotto nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, così come i risultati del recente esperimento XENON, possono essere esempi di una nuova fisica, oppure una nuova sorgente di rumore.

Così, mentre, nello spazio, lo Spettrometro Magnetico Alpha osserva un eccesso inaspettato di antimateria, il satellite della NASA Fermi rileva un eccesso di raggi gamma provenienti dal centro galattico, tecniche differenti per misurare l’Universo portano a valori diversi della sua velocità di espansione, e così via.

E comunque, nessuno di questi risultati gode di quella robustezza tale da considerarli come il segnale di una nuova fisica; potrebbe trattarsi di semplici fluttuazioni statistiche o di errori nella calibrazione degli apparati. Molti di questi risultati potrebbero originare una nuova fisica, ma oggi possono essere facilmente spiegati dalle leggi della fisica governate dal Modello Standard e dalla Relatività Generale.

Il mondo della ricerca ovviamente continuerà a produrre sempre nuovi esperimenti, cercando di dare la migliore descrizione possibile dell’Universo. Nei decenni futuri verranno effettuati nuovi esperimenti e nuove osservazioni, che apriranno nuove frontiere negli approcci all’esplorazione dell’Universo. Ecco quali sono i settori che saranno maggiormente oggetto di ricerca.

L’energia oscura è veramente una costante?

Le attuali conoscenze conducono a un valore costante dell’energia oscura, ma con qualche possibile dubbio. Sulla base delle prossime osservazioni della galassia su larga scala (effettuate dal Vera Rubin Observatory) e dei dati di supernove distanti (forniti dal nuovo telescopio Nancy Grace Roman), dovremmo essere in grado di sapere, con una certezza dell’1%, se l’energia oscura si evolve nel tempo. Se ciò si verifica, sarà necessario rivedere l’attuale modello cosmologico standard.

È possibile rilevare direttamente la materia oscura?

Gli ultimi risultati dell’esperimento XENON sembrano fornire delle valide evidenze sull’esistenza della materia oscura, che saranno testate dagli esperimenti di prossima generazione. L’esperimento XENONnT, così come l’esperimento LUX-ZEPLIN, serviranno a testare l’esistenza o meno di materia oscura particellare.

Cosa accade in condizioni di alta energia?

Gli esperimenti sui raggi cosmici per la ricerca di neutrini, della radiazione di Cherenkov o di altri segnali ad alta energia, hanno rilevato delle particelle con energie milioni di volte più intense di quelle rilevabili dal Large Hadron Collider (LHC). Questa potrebbe essere la prova della nascita di una nuova fisica.

Quando si sono formate veramente le prime stelle?

Il telescopio Hubble è fondamentalmente limitato dalla sua capacità di acquisizione della luce, dal suo campo di vista e dal suo range di lunghezza d’onda. Il prossimo telescopio spaziale della NASA, il James Webb, così come la prossima generazione di telescopi alti 30 metri con base a terra, possono dare prova, come mai fatto finora, delle stelle primordiali e più distanti, in quel percorso di ricerca di una più completa comprensione della formazione della struttura nei primissimi istanti.

Esistono spunti della fisica delle particelle che mettono in dubbio il Modello Standard?

Questa evenienza non è da escludere. Si sta lavorando per migliorare le misure dei momenti magnetici dell’elettrone e del muone; se essi non concordano, allora si può parlare di una nuova fisica. Si sta lavorando per scoprire come oscillano i neutrini; anche in questo caso si potrebbe aprire una nuova fisica. E se si riuscirà a costruire un collisore elettrone – positrone di precisione, sia circolare che lineare, sarà possibile individuare nuove prospettive al di là del Modello Standard, che l’attuale LHC non è in grado di rilevare.

La nuova fisica può essere nascosta in molti atri fenomeni e vi sono sicuramente diverse altre opportunità sperimentali che possono validare l’esistenza di una nuova fisica. Per esempio, è possibile che il LISA (Laser Interferometer Space Antenna) riveli delle sorprese; è possibile che la materia oscura e i neutrini inerti si rivelino in qualche modo; è possibile che vengano ideati dei nuovi esperimenti mentali che forniscano dei suggerimenti sulla gravità quantistica. Ma fino a quando non verranno realizzate, tutte queste ipotesi rimarranno fine a sé stesse.

È probabile che la ricerca che verrà non porterà a nulla di nuovo, ma è anche probabile che si possa trovare qualcosa che la comunità scientifica non ha mai smesso di considerare. La bellezza della ricerca scientifica risiede proprio in quella sorta di viaggio che porta sempre alla scoperta di qualcosa di nuovo.

E, ovviamente, sarà necessario uno sforzo erculeo per scoprire quali segreti si nascondono dietro le frontiere di ciò che oggi conosciamo. Ma con centinaia di scienziati che dedicano la loro vita a questi sforzi, una nuova conoscenza sarà sicuramente una ricompensa apprezzata da tutti.

Fonte: Forbes

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