Ieri vi abbiamo parlato della ricerca condotta dall'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia Ungherese delle Scienze, che è sfociata in quella che potrebbe essere la scoperta di una quinta forza, che andrebbe ad aggiungersi alla gravità e alle forze elettromagnetica, nucleare forte e nucleare debole. Nell'articolo di ieri il professore Fabio Zwirner, fisico teorico dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e dell'Università di Padova, ci ha spiegato come deve essere valutata al momento questa teoria, quali passi successivi saranno necessari per confermarla o smentirla e cosa potrebbe significare.
Molti lettori nei commenti hanno tuttavia evidenziato difficoltà a comprendere in che cosa sia consistito l'esperimento condotto dal team ungherese. Per chiarire questo ed altri quesiti che ci avete segnalato abbiamo intervistato il fisico Valerio Rossi Albertini dell'Istituto di Struttura della Materia (ISM) del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), che ringraziamo anche a nome di tutti voi per la disponibilità e la pazienza dimostrate.
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Che cos'è accaduto nell'esperimento ungherese e perché la comunità scientifica è scettica?
"In sostanza quello che è accaduto è che un'anomalia che i ricercatori ungheresi hanno riscontrato nel corso dei loro esperimenti è stata riesaminata da un team statunitense, secondo cui potrebbe essere giustificabile se si ammettesse la presenza di una forza mai osservata prima e che potrebbe essere collegata anche alla materia oscura dell'universo, cioè quella che giustificherebbe il moto dei sistemi galattici, più rapidi di quanto non dovrebbero essere se la materia in essi presente fosse del tipo conosciuto.
Sottolineo tuttavia che si parla di una sola pubblicazione, fatta sulla base delle ricerche di un singolo gruppo, esaminata da un altro singolo gruppo. Di solito la Scienza procede per accumulazione; quando si verifica un'anomalia, preliminare ad una potenziale scoperta, in genere si attende che altri gruppi facciano riscontri e che vengano scartate tutte le ipotesi alternative, prima di concludere che nessuna delle teorie attualmente esistenti sia in grado di giustificare questo comportamento. Non siamo ancora a quello stadio, quindi sarei molto cauto prima di gridare alla quinta forza dell'Universo".
Spieghiamo cos'è successo in questo esperimento per quello che ne sappiamo al momento, perché la descrizione in effetti non è chiarissima.
"Secondo me l'obiettivo non dovrebbe essere chiarire cosa tecnicamente sia stato fatto quanto di cercare di esprimere quale sia il concetto sottostante. Quello che è successo in pratica è che, come ai tempi di Enrico Fermi, sono stati bombardati dei nuclei di un determinato atomo in modo da indurre una trasmutazione nucleare.
Per ricondurre questo discorso molto tecnico alle conoscenze di uno studente liceale: la tabella periodica degli elementi di Mendeleev prescrive che le specie chimiche si differenzino per il numero di particelle cariche all'interno del nucleo, i protoni. La tabella è quindi popolata classificando i vari atomi in base al numero di protoni presenti all'interno nel nucleo: l'idrogeno è 1 perché ha un protone nel nucleo; l'elio, che è l'elemento immediatamente successivo, ne ha 2; il litio ne ha 3; il berillio ne ha 4 e via dicendo. Se vogliamo trasformare un elemento in quello che occupa la casella immediatamente successiva dobbiamo fornirgli un ulteriore protone che venga inglobato all'interno del nucleo. Questo è quello che hanno fatto gli scienziati ungheresi: hanno spedito particelle cariche sul nucleo di un determinato elemento e l'hanno trasformato nell'elemento immediatamente successivo.
Tuttavia, questo elemento formatosi a seguito del bombardamento è instabile, cioè non rimane indefinitamente nella condizione in cui è stato prodotto attraverso il bombardamento, ma tende a trasformarsi nuovamente. Questa trasformazione dovrebbe avvenire con delle regole ben definite, prescritte dalla teoria quantistica, ossia quella che descrive il comportamento del mondo microscopico. L'osservazione degli scienziati ungheresi è che, in realtà, la nuova particella creata si trasforma in una maniera imprevista, dando luogo ad un processo non contemplato dalle teorie attuali.
La spiegazione accreditata dal gruppo statunitense è che le regole attuali non siano sbagliate, ma incomplete, perché non tengono in considerazione la presenza di un'ulteriore forza, oltre alle quattro già note. L'introduzione di questa quinta forza potrebbe appunto giustificare l'anomalia osservata nella trasformazione".
Loro hanno usato uno spettrometro elettrone positrone: questi esperimenti vengono sempre fatti con questo strumento o ne esistono di più evoluti?
"No ce ne sono anche altri, benchè questo strumento sia molto usato a questi scopi. Di solito questo genere di studi è condotto utilizzando molti apparecchi diversi e confrontando i risultati ottenuti".
Quando i fisici ungheresi iniziarono questo esperimento in realtà cercavano la materia oscura...
"La materia oscura non la si trova in questo modo. Non è che cercassero la materia oscura, che non è così facilmente riproducibile in laboratorio, altrimenti non ci sarebbe motivo di ipotizzarne l'esistenza senza mai averla trovata nei numerosissimi esperimenti che sono stati condotti.
Loro (come tanti altri gruppi nel mondo) stavano cercando di vedere se la materia ordinaria, in determinate condizioni, possa manifestare dei comportamenti che siano caratteristici di altre forme di materia ancora non osservate in laboratorio. Quindi non si parla di creare la materia oscura, ma riscontrare delle incongruenze nella materia ordinaria che potrebbero dare suggerimenti su com'è fatta la materia oscura.
L'ipotesi di fondo è che le leggi della natura siano universali, quindi la materia oscura che non vediamo, ma sappiamo esistere perché l'Universo si comporta in una maniera che è incompatibile con la presenza della sola materia visibile, ci deve essere una sovrabbondanza di un altro tipo di materia che non conosciamo. Gli scienziati si domandano se le caratteristiche di questa materia oscura non si possano in taluni casi riscontrare anche nella materia ordinaria, e per questo conducono esperimenti sulla materia ordinaria alla ricerca di anomalie".
Ammettiamo per un attimo che il risultato di questo esperimento in qualche modo venga confermato, che cosa vuol dire che cambierebbe il Modello Standard?
"Premetto che sono soltanto supposizioni e si possono solo fare illazioni. Il Modello Standard è la descrizione del comportamento delle particelle elementari che dà conto dei fenomeni finora osservati nell'ambito del mondo microscopico. L'insieme delle particelle che sappiamo esistere e delle leggi che le governano è il Modello Standard. Standard perché è quello accreditato dagli scienziati che si occupano della fisica delle particelle elementari. Però, probabilmente, il Modello Standard, nonostante la scoperta del bosone di Higgs che ha messo a posto un po' di difetti noti, è ancora incompleto.
Se fosse completo dovrebbe darci informazioni anche su alcuni fenomeni che osserviamo e di cui non riusciamo a comprendere l'origine. Per esempio: ci dev'essere più materia nell'Universo di quanto supponiamo e questa materia deve avere delle caratteristiche differenti rispetto a quelle della materia descritta dal modello standard, quindi ci sono solo due possibilità: o il Modello Standard è sbagliato, o è incompleto e va integrato con altre particelle o eventualmente con altre forze che diano conto anche di tutto quello che vediamo accadere nell'Universo, ma che non comprendiamo.
Un esempio per chiarire. Con la legge di gravitazione universale noi sappiamo descrivere molto bene il comportamento dei pianeti nel Sistema Solare, come la rotazione della Terra attorno al Sole. Se guardiamo nello Spazio profondo ci accorgiamo che ci sono invece aggregati, ammassi galattici e nebulose che ruotano su sé stessi con una velocità che è incompatibile con la legge di Newton. Tutto accade come se in realtà valesse la legge di Newton, ma ci fosse della materia ulteriore che noi non riusciamo a vedere. Non sappiamo che caratteristiche abbia e in che cosa differisce dalla materia ordinaria, allora la definiamo "oscura", però sappiamo che ci deve essere, altrimenti tutte le teorie attuali sarebbero sbagliate.
A indurci a credere che le teorie siano corrette, ma semplicemente incomplete, è che sono in grado di prevedere nei casi soliti gli esiti degli esperimenti con una precisione assoluta. È mai possibile che sia sbagliata una teoria, come il Modello Standard, dotata di così grande accuratezza al punto da prevedere l'esito di un esperimento con una precisione di una parte su mille miliardi? È molto improbabile, per questo siamo indotti a credere che le teorie siano corrette ma che ci sia qualcosa in più. E la ricerca di questa cosa in più che deve essere inclusa nel Modello Standard spinge gli scienziati a fare il genere di esperimenti condotto dal gruppo ungherese".
Quella ipotizzata sarebbe una forza a raggio estremamente corto che agisce su distanze poco più grandi delle dimensioni del nucleo atomico
"Questo non sarebbe di per sé sorprendente, ci sono altre forze che agiscono solo sul nucleo, come la nucleare forte, che fu una delle scoperte più importanti della Fisica. L'eventuale quinta forza non farebbe la stessa cosa della nucleare forte. Le forze si comportano in maniera diversa, il fatto che siano sulla stessa scala di grandezze e agiscano su distanze confrontabili non significa che siano uguali le une alle altre, possono avere caratteristiche molto diverse. Per esempio le forze nucleari forti tendono a tenere vicini gli uni agli altri i costituenti del nucleo, le forze nucleari deboli invece ne producono la separazione".
Invece di cercare di far rientrare tutto in una serie di leggi o in un modello organizzato, non è possibile che nella realtà non ci siano leggi o modelli, e questi servano solo a noi per tentare di comprendere la realtà e organizzarla sotto i nostri criteri?
"È un interrogativo che si sono posti scienziati ed epistemologi nel corso del tempo: la natura potrebbe essere un susseguirsi di eventi per noi inesplicabili? No, c'è un ordine, e le leggi più importanti hanno un'applicazione rigorosa in tutte le circostanze - come la legge di Newton o la Relatività – e vengono riprodotte con una precisione assoluta. Pensare che sia un caso, che in realtà viga il caos, e che queste leggi possano essere impunemente violate è contraddetto dall'esperienza.
La scienza può evolvere e ha potuto costruire la sua cattedrale intellettuale straordinaria grazie al fatto che le fondamenta sono solide e che ogni singolo mattone che viene posto su queste fondamenta ha una sua capacità di sostenere le teorie successive. Ecco anche perché le leggi vengono verificate sistematicamente, scartando l'ipotesi che ci possa essere un caos di fondo e che le cose accadano senza una logica. Anche nella meccanica quantistica alcune cose accadono in maniera apparentemente casuale, ma nonostante questo si studia quali sono le caratteristiche della casualità, che è poi la teoria della probabilità".