Se questa scoperta dovesse essere confermata, l’identificazione di una nuova forza fondamentale, da aggiungere alle quattro già note – gravità, elettromagnetismo, interazione nucleare forte e debole – potrebbe rappresentare la chiave per accedere a una maggiore comprensione del comportamento e della natura della materia oscura nell’Universo come lo conosciamo

Attraverso l’acceleratore di particelle situato nelle vicinanze di Chicago, il Fermilab, alcuni scienziati hanno rilevato un comportamento insolito di una particella subatomica conosciuta come muone. Secondo quanto affermato dai ricercatori, questa particella sembra essere soggetta a un effetto influenzante proveniente da una forza fino ad ora sconosciuta, che è stata denominata la “Quinta Forza” dell’Universo. Tale scoperta, se confermata, potrebbe portare a un cambiamento profondo nelle fondamenta della fisica, rivoluzionando la nostra comprensione delle leggi che regolano il mondo subatomico.

quinta forza

La scoperta del secolo che potrebbe rivoluzionare la fisica

Un gruppo di ricerca internazionale sarebbe sull’orlo di individuare ciò che viene definito come la “Quinta Forza” della natura, un fenomeno attualmente sconosciuto che potrebbe sovvertire i principi del Modello Standard rivoluzionando i fondamenti della fisica finora noti. Questo rappresenterebbe una vera e propria svolta, potenzialmente una delle scoperte più significative nel campo scientifico degli ultimi tempi o forse addirittura del secolo.

L’importanza di questa scoperta risiede nella struttura del Modello Standard, che attualmente spiega accuratamente il comportamento delle particelle subatomiche costituenti di tutto ciò che esiste nell’Universo – dagli oggetti che utilizziamo quotidianamente fino alle stelle che punteggiano il cielo notturno. Questo modello costituisce la base su cui si fonda gran parte della nostra comprensione. In base a esso, le particelle interagiscono tramite quattro forze fondamentali: l’interazione elettromagnetica, la gravità, l’interazione nucleare debole e l’interazione nucleare forte.

Da oltre cinquant’anni, gli scienziati stanno mettendo alla prova le fondamenta del Modello Standard, cercando segni di potenziali “scricchiolii” o comportamenti inaspettati delle particelle e delle interazioni che non si conformano alle previsioni di tale modello. Tuttavia, fino a questo momento, non sono stati in grado di individuare nulla che si discosti dalle leggi della fisica come definite dallo stesso Modello. Ma un cambiamento sostanziale è avvenuto nel 2021, quando un gruppo di ricerca internazionale guidato dagli scienziati del Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), un istituto di ricerca situato nei pressi di Chicago, ha rilevato una stranezza nel comportamento dei muoni.

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In termini semplici, i muoni sono particelle elementari che portano una carica elettrica negativa e una massa oltre 200 volte superiore a quella degli elettroni. Questi muoni si formano, ad esempio, quando i raggi cosmici interagiscono con l’atmosfera terrestre. Gli scienziati del Fermilab introducono questi muoni in un acceleratore di particelle con un diametro di circa quindici metri, accelerandoli a velocità vicine a quella della luce, e osservano le loro interazioni mentre compiono migliaia di giri. Nell’esperimento del 2021, è emerso che i muoni oscillano in modo insolito, manifestando una caratteristica che non può essere spiegata mediante le quattro forze fondamentali riconosciute nell’universo.

Secondo gli scienziati, il momento magnetico dei muoni sembra essere influenzato da una forza misteriosa, una sorta di quinta forza della natura, che finora non era stata identificata. Questa potenziale scoperta potrebbe portare a una svolta significativa nella comprensione della fisica fondamentale e alla revisione delle attuali teorie.

Recentemente, i risultati dell’esperimento condotto nel 2021 sono stati ripetuti, con un notevole miglioramento della precisione rispetto al risultato precedente, secondo quanto riportato in un comunicato stampa rilasciato dal Fermilab, che è affiliato al Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. La chiave per confermare l’eventuale presenza di una quinta forza nell’Universo, che vada oltre le forze già note, risiede nell’eliminazione delle incertezze legate a tali risultati. Per capire meglio la portata dell’esperimento, è importante considerare che i muoni, analogamente agli elettroni, possiedono un piccolo magnete interno che, quando esposti a un campo magnetico, precessa o oscilla come l’asse di una trottola.

Gli scienziati spiegano che la velocità di precessione in un dato campo magnetico è influenzata dal momento magnetico del muone, spesso rappresentato con la lettera “g”. Nella teoria più semplice, si prevede che il valore di g sia 2. Tuttavia, la differenza tra il valore effettivo di g e quello previsto può essere attribuita alle interazioni dei muoni con le particelle presenti in una sorta di “schiuma quantistica” che li circonda.

Queste particelle “lampeggiano” tra l’esistenza e l’assenza, agendo come partner subatomici dei muoni, influenzandone l’interazione con il campo magnetico. Il Modello Standard tiene conto di tutte le particelle note che fungono da “partner di ballo” e prevede come dovrebbe cambiare la schiuma quantica rappresentata da g. Tuttavia, vi è la possibilità che esistano particelle ancora non scoperte che contribuiscono al valore di g e che potrebbero aprire la porta a nuove esplorazioni nel campo della fisica.

Il recente risultato sperimentale ottenuto dal Muon g-2, fondato sui dati acquisiti durante i primi tre anni di attività di esperimento, si traduce in un valore di g-2 pari a 0,00233184110 con un margine di errore di +/- 0,00000000043 (incertezza statistica) e ulteriore +/- 0,00000000019 (incertezza sistematica), raggiungendo una precisione di 0,20 parti per milione.

Questi numeri possono risultare poco significativi per la maggior parte delle persone, ma per gli esperti di fisica rappresentano un fondamentale punto di riferimento. Questi risultati portano a un avvicinamento alla scoperta di una nuova possibile interazione fondamentale nel campo della fisica e all’identificazione di nuove particelle subatomiche, rispetto ai risultati ottenuti nell’esperimento del 2021. Secondo gli scienziati, sarà decisiva la prossima serie di risultati che emergeranno dalla continuazione dell’esperimento. Il professor Graziano Venanzoni dell’Università di Liverpool, uno dei principali autori dello studio, ha spiegato che “pensiamo che potrebbe esserci un’altra forza, qualcosa di cui non siamo consapevoli al momento.

È qualcosa di distintivo, che abbiamo etichettato come la ‘quinta forza’”. Ha aggiunto che questa presunta quinta forza potrebbe aprire nuove prospettive sul nostro universo, portando nuove informazioni e cambiamenti nel nostro comprensione dell’Universo. Se questa scoperta venisse confermata, potrebbe offrirci spiegazioni riguardo a fenomeni come l’accelerazione delle galassie dopo il Big Bang o il movimento più veloce di quanto previsto basandosi sulla quantità di materia esistente. Potrebbe persino contribuire a svelare il mistero dell’energia oscura che permea lo spazio cosmico.

Per approfondire 

Nel processo di esplorazione tra teoria e sperimento, il funzionamento più basilare dell’universo è descritto dalla teoria conosciuta come Modello Standard delle particelle elementari. Utilizzando le previsioni di questa teoria e mettendole a confronto con i risultati ottenuti dagli esperimenti, si può valutare se essa sia completa oppure se ci siano opportunità di scoprire nuove proprietà fisiche al di là di ciò che il Modello Standard prevede. I muoni, che sono particelle elementari predette dal Modello Standard e simili agli elettroni ma con una massa circa 200 volte maggiore, possiedono anch’essi un piccolo magnete interno che, quando immersi in un campo magnetico, precessa o oscilla come l’asse di una trottola. La velocità di questa precessione, all’interno di un dato campo magnetico, è legata al valore del momento magnetico g. La teoria del Modello Standard predice con notevole precisione il valore di g, che teoricamente dovrebbe differire leggermente da 2.

I nuovi risultati ottenuti dall’esperimento Muon g-2 entrano in conflitto con le previsioni teoriche presentate nel 2020 dalla Muon g-2 Theory Initiative, un’iniziativa che unisce esperti di fisica teorica da tutto il mondo, con l’obiettivo di ottenere una stima teorica condivisa entro il Modello Standard, da confrontare con i dati sperimentali. Grazie a nuove misurazioni sperimentali che alimentano i calcoli teorici, insieme a un nuovo approccio teorico basato sulla teoria di gauge su reticolo, gli scienziati impegnati nell’iniziativa stanno lavorando per raffinare le loro previsioni. L’obiettivo è di fornire, nei prossimi due anni, un miglioramento delle stime, che tenga conto di entrambi gli approcci teorici.

La discrepanza tra il valore di g e 2 (cioè g-2) può essere spiegata attraverso le interazioni dei muoni con particelle presenti in una “schiuma” quantistica che li circonda. Queste particelle fluttuano costantemente tra l’esistenza e la non-esistenza, influenzando così l’interazione dei muoni con il campo magnetico. Il calcolo del valore di g-2 è un processo complesso. Considerando tutte le forze e le particelle conosciute, i calcoli teorici tengono conto delle forze elettriche, delle interazioni nucleari deboli e forti, dei fotoni, degli elettroni, dei quark, dei gluoni, dei neutrini, dei bosoni W e Z e del bosone di Higgs. Se il Modello Standard è corretto e le previsioni teoriche di g-2 sono esatte, allora il valore misurato sperimentalmente dovrebbe concordare con la previsione teorica. La discrepanza tra questi due valori potrebbe suggerire l’esistenza di particelle finora sconosciute che influenzano il valore di g-2.

L’esperimento si basa sulla produzione in grande quantità di muoni, generati naturalmente dall’interazione dei raggi cosmici con l’atmosfera terrestre. Questi muoni possono essere generati anche attraverso l’acceleratore del Fermilab e successivamente introdotti nell’anello magnetico di accumulazione di Muon g-2, che ha un diametro di 15 metri. Qui, i muoni vengono fatti circolare migliaia di volte a velocità prossime a quella della luce. Analogamente agli elettroni, i muoni possiedono spin e un momento magnetico, che crea un campo magnetico simile a quello di una bussola. All’interno dell’anello di Muon g-2, il momento magnetico dei muoni subisce una precessione intorno alla direzione del campo magnetico, simile al movimento di una trottola in rotazione. L’esperimento misura con grande precisione la frequenza di questa precessione dei muoni. Il Modello Standard prevede che il valore del momento magnetico per ogni particella sia proporzionale a un numero chiamato “fattore giromagnetico g”, il quale dovrebbe differire leggermente da 2. Da qui il nome “g-2” o “anomalia giromagnetica” associato a questa misurazione. I risultati di Muon g-2 rivelano una discrepanza tra il valore misurato di g-2 per i muoni e quello previsto dal Modello Standard. Questa previsione si basa sui calcoli delle interazioni dei muoni con particelle “virtuali” che continuamente si formano e annullano nello spazio circostante. La divergenza tra il risultato sperimentale e la previsione teorica potrebbe indicare l’esistenza di particelle e interazioni finora sconosciute che il Modello Standard non ha considerato.

Che cos’è il Modello Standard

Il Modello Standard è il quadro teorico fondamentale che descrive le particelle elementari e le interazioni fondamentali che costituiscono il tessuto fondamentale dell’universo. È il risultato di sforzi di ricerca che si sono sviluppati nel corso di decenni, mirati a comprendere le particelle e le forze che costituiscono la materia e l’energia che ci circondano. Qui di seguito troverai una spiegazione completa del Modello Standard a un livello avanzato, adatto per un contesto di dottorato in fisica.

Il Modello Standard comprende due componenti principali: le particelle elementari e le interazioni fondamentali.

Particelle Elementari

Il Modello Standard identifica le particelle fondamentali che costituiscono l’universo in due categorie principali: fermioni e bosoni.

  1. Fermioni: Sono le particelle che costituiscono la materia. I fermioni si suddividono in quarks e leptoni. I quarks sono le particelle più elementari che costituiscono i protoni e i neutroni nei nuclei atomici. I leptoni includono gli elettroni (che circondano gli atomi) e i neutrini (particelle neutrali con masse molto piccole). Ogni particella ha una propria antiparticella corrispondente con carica opposta.
  2. Bosoni: Sono le particelle che mediano le forze fondamentali dell’universo. Essi includono:
    • Il fotone, che mediatore dell’interazione elettromagnetica.
    • I bosoni W e Z, che mediano l’interazione nucleare debole responsabile dei decadimenti radioattivi.
    • Il gluone, che mediatore dell’interazione nucleare forte responsabile del legame dei quarks all’interno dei nucleoni.
    • Il bosone di Higgs, scoperto nel 2012, che conferisce la massa alle particelle.

Interazioni Fondamentali

Il Modello Standard descrive quattro tipi di interazioni fondamentali che governano il comportamento delle particelle nell’universo:

  1. Interazione Elettromagnetica: Mediata dal fotone, questa forza è responsabile dell’attrazione e della repulsione elettrica tra particelle cariche.
  2. Interazione Nucleare Debole: Mediata dai bosoni W e Z, questa forza è responsabile dei decadimenti radioattivi e delle interazioni che cambiano i tipi di quarks e leptoni.
  3. Interazione Nucleare Forte: Mediata dai gluoni, questa forza tiene insieme i quarks all’interno dei nucleoni (protoni e neutroni) e crea legami tra i nucleoni nei nuclei atomici.
  4. Gravità: Sebbene non sia incorporata nel Modello Standard, la gravità è una delle quattro interazioni fondamentali. È responsabile dell’attrazione tra masse e viene descritta dalla relatività generale di Einstein.

Nonostante il successo del Modello Standard nell’explicare gran parte del comportamento delle particelle e delle forze dell’universo, ci sono ancora alcuni misteri irrisolti, come la natura della materia oscura e l’energia oscura. Gli scienziati continuano a cercare segni di nuova fisica oltre il Modello Standard attraverso esperimenti ad alta energia e osservazioni cosmologiche.

Il Fermilab

Enrico FermiIl Fermilab, abbreviazione di Fermi National Accelerator Laboratory, è un importante laboratorio di ricerca scientifica situato vicino a Chicago, negli Stati Uniti. È stato fondato nel 1967 e prende il nome da Enrico Fermi. Il laboratorio è noto per le sue ricerche avanzate nel campo della fisica delle particelle ad alta energia.

Enrico Fermi è stato un celebre fisico italiano-americano noto per i suoi contributi fondamentali nella fisica delle particelle, nella teoria quantistica dei campi e nella fisica nucleare. È considerato uno dei più grandi fisici del XX secolo.

Fermi è stato il principale architetto del primo reattore nucleare autosufficiente, noto come Chicago Pile-1, costruito nel 1942. Questo risultato ha giocato un ruolo cruciale nello sviluppo dell’energia nucleare e nella successiva creazione della bomba atomica durante la Seconda Guerra Mondiale. Ha ricevuto il Premio Nobel per la Fisica nel 1938 per la sua dimostrazione dell’esistenza dei neutroni lenti, che sono stati fondamentali per il futuro sviluppo della fissione nucleare.

Fonte: “Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.20 ppm” – Physical Review Letters.

In copertina, il Fermilab di Chicago: Foto di Reidar Hahn

Oppenheimer: il Genio dietro la Bomba Atomica e il film di Nolan

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Giornalista scientifico. Dopo gli studi al Politecnico di Torino, laurea in ingegneria, e un Master in Scienze della Comunicazione svolge le sue prime docenze presso la Facoltà di Architettura, all’Università di Torino e all’Università Statale di Milano su materie legate alla comunicazione digitale e alla progettazione CAD architettonica. Nel 1998, sotto la supervisione del direttore del laboratorio modelli reali e virtuali, realizza l’opera multimediale vincitrice del Premio Compasso d’Oro Menzione d’Onore. Ha collaborato e diretto da oltre 20 anni decine di testate giornalistiche. Ha pubblicato due libri sulla comunicazione digitale di impresa ed è stato relatore di tesi al Matec – Master in Progettazione e Management del Multimedia per la Comunicazione (Torino) e all’estero (Miami, USA). Attualmente insegna comunicazione digitale e nuovi media, giornalismo scientifico e materie legate alla progettazione architettonica e al design Ha fondato ADI - Agenzia Digitale Italia, per la diffusione di notizie stampa su media web, radio e TV locali e nazionali Contatti Email: info@interiorissimi.it

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