Dall’ultimo bagliore del Big Bang ai principali acceleratori di particelle del mondo alle particelle misteriose che salgono dal Polo Sud, i fisici stanno inseguendo promettenti indizi di nuovi fenomeni che estenderebbero il modello standard – una teoria fisica di notevole successo ma incompleta che descrive la materia e forze.
La forma che ha “salvato” la fisica
In uno studio del 2018, i ricercatori ACME EDM delle università Northwestern, Harvard e Yale hanno esaminato la forma della carica di un elettrone con una precisione senza precedenti per confermare che è perfettamente sferica. Una carica leggermente schiacciata avrebbe potuto indicare particelle pesanti sconosciute e difficili da rilevare in presenza dell’elettrone, una scoperta che avrebbe potuto sconvolgere la comunità mondiale della fisica.
L’esperimento ACME utilizza un raggio molecolare criogenico della molecola polare pesante (ThO) per misurare il momento di dipolo elettrico dell’elettrone (EDM). L’esistenza di un elettrone EDM si manifesterebbe come spostamenti di energia molto piccoli in certi stati molecolari quando le molecole si trovano in un campo elettrico. L’EDM elettronico è una sonda fisica molto forte oltre il modello standard.
Se avessimo scoperto che la forma dell’elettrone non è rotonda, questo sarebbe stata la principale scoperta in fisica degli ultimi decenni, come affermato dal fisico Gerald Gabrielse, che ha guidato una ricerca pionieristica alla Northwestern. “Ma la nostra scoperta è ancora altrettanto scientificamente significativa perché rafforza il modello standard della fisica delle particelle ed esclude modelli alternativi“.
Una teoria di vecchia data, il Modello Standard della fisica delle particelle descrive la maggior parte delle forze e delle particelle fondamentali nell’universo. Il modello è un’immagine matematica della realtà e nessun esperimento di laboratorio ancora eseguito lo ha contraddetto.
La scappatoia
Questa mancanza di contraddizione ha sconcertato i fisici per decenni. “Il modello standard così com’è non può essere corretto perché non spiega il motivo per cui l’universo esiste“, ha affermato Gabrielse, professore di fisica del Board of Trustees presso il Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern. “Questa è una scappatoia piuttosto grande“.
Gabrielse e i suoi colleghi dell’ACME hanno trascorso la loro carriera cercando di colmare questa scappatoia esaminando le previsioni del Modello Standard e poi cercando di confermarle attraverso esperimenti da tavolo in laboratorio.
“Riparazione” del modello standard
Nel tentativo di “aggiustare” il Modello Standard, molti modelli alternativi prevedono che la sfera apparentemente uniforme di un elettrone sia in realtà schiacciata in modo asimmetrico. Uno di questi modelli, chiamato modello supersimmetrico, postula che particelle subatomiche sconosciute e pesanti influenzino l’elettrone alterando la sua forma perfettamente sferica, un fenomeno non dimostrato chiamato “momento di dipolo elettrico“. Queste particelle sconosciute e più pesanti potrebbero essere responsabili di alcuni dei misteri più eclatanti dell’universo e potrebbero spiegare perché l’universo è fatto di materia anziché di antimateria.
Nel video qui sotto, il principale investigatore dell’ACME, il fisico di Harvard John Doyle, ragiona sul Big Bang, sulla simmetria di inversione del tempo, sull’asimmetria materia-antimateria e sul momento di dipolo elettrico dell’elettrone. Doyle è co-direttore dell’Harvard Quantum Initiative.
“Quasi tutti i modelli alternativi affermano che la carica dell’elettrone potrebbe essere schiacciata, ma non abbiamo guardato con sufficiente sensibilità“, ha affermato Gabrielse, il direttore fondatore del nuovo Centro di fisica fondamentale della Northwestern. “Ecco perché abbiamo deciso di guardare lì con una precisione mai realizzata prima“.
Il team dell’ACME ha sondato questa domanda sparando un raggio di molecole di ossido di torio freddo in una camera delle dimensioni di una grande scrivania. I ricercatori hanno quindi studiato la luce emessa dalle molecole. La luce di torsione indicherebbe un momento di dipolo elettrico. Quando la luce non si contorceva, il team di ricerca ha concluso che la forma dell’elettrone era, in effetti, rotonda, confermando la previsione del Modello Standard. Nessuna prova di un momento di dipolo elettrico significa nessuna prova di quelle ipotetiche particelle più pesanti. Se queste particelle esistono, le loro proprietà differiscono da quelle previste dai teorici.
“Il nostro risultato dice alla comunità scientifica che dobbiamo ripensare seriamente ad alcune delle teorie alternative“, ha detto DeMille.
Se un elettrone avesse le dimensioni della Terra, potremmo rilevare se il centro della Terra fosse distante un milione di volte più piccolo di un capello umano”
Nel 2014, il team ACME ha eseguito la stessa misurazione con un apparato più semplice. Utilizzando metodi laser migliorati e diverse frequenze laser, l’esperimento attuale è stato un ordine di grandezza più sensibile del suo predecessore.
“Se un elettrone avesse le dimensioni della Terra, potremmo rilevare se il centro della Terra è lontano da una distanza un milione di volte più piccola di un capello umano“, ha spiegato Gabrielse. “Ecco quanto è sensibile il nostro apparato“.
Gabrielse, DeMille, Doyle e i loro team hanno in programma di continuare a mettere a punto il loro strumento per effettuare misurazioni sempre più precise. Fino a quando i ricercatori non troveranno prove contrarie, la forma rotonda dell’elettrone e i misteri dell’universo rimarranno.
“Sulla base di due ordini di grandezza di una sensibilità migliorata in un decennio di esperimenti ACME, il campo delle misurazioni EDM degli elettroni continua il suo rapido progresso“, ha spiegato Cristian Panda. “L’esperimento ACME III è a buon punto, promettendo ancora un altro ordine di grandezza di miglioramento nei prossimi anni, che sarà in grado di sondare ampie classi di teorie oltre il Modello Standard a scale >10 TeV. Guardando al futuro, gli esperimenti che utilizzano tecnologie quantistiche molecolari rivoluzionarie promettono di spingere questa scala energetica nell’intervallo 100 TeV-PeV”.
“Gli attuali risultati dell’EDM“, spiega Panda, “limitano già molti modelli generici di fisica oltre il modello standard, come la supersimmetria. Questo e i recenti risultati dell’LHC e le tensioni nelle misurazioni dei momenti magnetici dell’elettrone e del muone hanno stimolato un’intensa attività nella comunità teorica che cerca di prevedere la natura della nuova fisica, ma la giuria è ancora là fuori”.
“In questo momento stiamo lavorando giorno e notte per migliorare la nostra misurazione di precisione per la ricerca di prossima generazione del momento di dipolo elettrico dell’elettrone, il cui risultato aiuterà a chiarire la nuova fisica oltre il modello standard e ci darà un suggerimento sull’origine dell’Universo che noi osserviamo e in cui viviamo“, ha detto il fisico dell’Università di Chicago Xing Wu.
“Gli aggiornamenti stanno andando tutti molto bene, prevedendo di migliorare la sensibilità dell’esperimento di un altro ordine di grandezza, rispetto a quanto abbiamo ottenuto nell’ultimo round di misurazioni (il risultato 2018). Ciò corrisponderebbe al raggiungimento di una scala energetica di oltre 30 TeV. Se possiamo trovare qualcosa di interessante o inaspettato lì, dobbiamo vederlo”.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature. Oltre a Gabrielse, la ricerca è stata guidata da John Doyle, Henry B. Silsbee Professor of Physics ad Harvard, e David DeMille, professore di fisica a Yale. Il trio guida la ricerca del momento di dipolo elettrico avanzata dalla National Science Foundation (NSF) finanziata dalla National Science Foundation (NSF).
