Alcuni scienziati sono alla ricerca di una particella capace di fungere da portale verso una quinta dimensione che media i reami cosmici della luce e dell’oscurità.
Nonostante questa frase sembri la sinossi di un film di fantascienza, si tratta in realtà del sunto di uno studio scientifico assolutamente reale, che vuole fare luce su alcuni degli enigmi più persistenti della fisica.
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Questa particella speculativa potrebbe infatti “fornire una spiegazione naturale” per l’abbondanza di materia oscura che occupa l’universo, e risolvere alcune delle incongruenze delle particelle subatomiche note come fermioni, stando allo studio pubblicato a gennaio 2021 sulla rivista The European Physical Journal C.
Lo studio aggiunge che l’introduzione di questi elementi fisici ipotetici necessita di un modello dell’universo dotato di una quinta dimensione, che può essere attraversata dalle particelle.
“Stiamo lavorando a un concetto simile da tempo,” raccontano a VICE via email gli autori dello studio: Javier Castellano e Matthias Neubert, fisici dell’Università Johannes Gutenberg di Magonza, e Adrián Carmona, dell’Università di Granada. “L’intento iniziale era spiegare una possibile origine delle masse di fermioni con una dimensione extra e distorta,” spiegano. “Sapevamo che le masse di questi componenti avevano caratteristiche speciali, in cerca disperata di una una spiegazione.”
I ricercatori fanno eco alla lunga tradizione scientifica secondo cui l’universo ha molto altro da offrire oltre alle quattro dimensioni note all’umanità, cioè le tre dello spazio e il tempo. Questa branca di studi ha prodotto equazioni per campi penta-dimensionali, che esprimono le implicazioni che una dimensione in più avrebbe sull’universo e sulla realtà stessa.
Mentre studiavano queste equazioni in relazione alle masse di fermioni, i ricercatori hanno ipotizzato l’esistenza di un nuovo campo scalare associato a una particella speculativa che è simile al campo di Higgs associato al famoso bosone di Higgs.
“Abbiamo scoperto che il nuovo campo scalare ha un comportamento interessante in relazione alla quinta dimensione,” racconta il team. “Dato che questa nuova particella ha proprietà quantistiche simili al bosone di Higgs, si può presumere che le due particelle si mescolino bene tra loro, ovvero che le loro funzioni d’onda quantistiche si intreccino,” proseguono i ricercatori.
Mentre mettevano alla prova la loro ipotesi, i fisici si sono accorti che la loro particella potrebbe aprire una “finestra senza precedenti” nella materia oscura, perché sarebbe in grado di mediare una forza che collega la materia oscura e la sua controparte visibile, ovvero stelle, pianeti e tutto ciò che conosciamo grazie all’astronomia tradizionale.
“Se questa particella pesante esistesse, connetterebbe per forza la materia visibile con i componenti della materia oscura, presupponendo che la materia oscura sia fatta di fermioni fondamentali, che risiedono nella dimensione extra ipotizzata,” spiegano i fisici.
“Non è un’idea tanto strampalata, dato che sappiamo che la materia ordinaria è fatta di fermioni e che, se questa dimensione extra esistesse, si propagherebbero anche lì, molto probabilmente,” hanno specificato.
I modelli della particella ipotetica non entrano in conflitto con ciò che già sappiamo della massa di materia oscura nell’universo e la matematica dello studio dimostra che la particella potrebbe essere “un possibile messaggero verso il settore oscuro,” dicono i ricercatori.
“Dunque, confermare l’esistenza della particella aprirà nuovi emozionanti orizzonti verso la possibile scoperta della materia oscura,” ha detto il team. “Questo ci darà in particolare informazioni molto utili sulla massa della materia oscura e le sue interazioni con le particelle che già conosciamo.”
Ora che gli scienziati hanno un’ipotetica particella e una quinta dimensione a essa associata, devono andare a caccia di conferme. Il bosone di Higgs è stato avvistato dal Large Hadron Collider (LHC) in Svizzera nel 2012 dopo anni di ipotesi, un risultato che è stato coronato dal premio Nobel in Fisica. Ad ogni modo, il LHC non è adatto a cercare la particella proposta dallo studio, perché sarebbe troppo pesante per essere generata in qualsiasi struttura disponibile al momento.
La particella potrebbe—tecnicamente—essere individuata da un collider di nuova generazione, come l’International Linear Collider, il Compact Linear Collider e il Future Circular Collider, ma i ricercatori dicono che “per via della sua ampia massa, le prospettive di una scoperta diretta sono complesse anche alle alte energie di cui queste macchine sono capaci.”
A prescindere, i ricercatori credono che la particella possa essere individuata in modo meno diretto, per esempio tramite l’osservazione delle onde gravitazionali, ovvero le increspature dello spazio-tempo.
“Un’altra possibilità, che non abbiamo ancora esplorato, è che questa particella possa giocare un ruolo importante nella storia cosmologica dell’universo e possa produrre onde gravitazionali che possono essere cercate con rilevatori di prossima generazione,” aggiungono i ricercatori.
Studi futuri sulla materia oscura potrebbero a loro volta aiutare a circoscrivere meglio le probabilità dell’esistenza della particella, così il team è ottimista che il loro concetto di una quinta dimensione si svilupperà insieme alle innovazioni nel campo della fisica delle particelle e della cosmologia. Al di là della materia oscura, la particella—premesso che esista davvero—potrebbe aiutarci a risolvere alcuni dilemmi scientifici di lunga data, come il problema della gerarchia, e a comprendere meglio i primordi dell’universo.
“Si potrebbe studiare il ruolo giocato potenzialmente da questa particella scalare nello stabilizzare la dimensione extra,” ha detto il team. “Questo potrebbe portare a interessanti ipotesi sulla storia dell’universo e sulle onde gravitazionali. È un percorso di ricerca affascinante, che intendiamo portare avanti,” concludono i ricercatori. “Come vedi, ci sono un sacco di cose da fare!”
