Intorduzione

Un team di scienziati in Ungheria ha recentemente pubblicato un documento che suggerisce l’esistenza di una particella subatomica precedentemente sconosciuta. Il team ha riferito per la prima volta di trovare tracce della particella nel 2016 e ora riporta più tracce in un esperimento diverso.

Se i risultati saranno confermati, la cosiddetta particella X17 potrebbe aiutare a spiegare la materia oscura, la misteriosa sostanza che gli scienziati ritengono rappresenti oltre l’80% della massa nell’universo. Può essere il portatore di una “quinta forza” oltre le quattro rappresentate nel modello standard di fisica (gravità, elettromagnetismo, forza nucleare debole e forza nucleare forte).

Atomi devastanti

La maggior parte degli scienziati che cercano nuove particelle usano enormi acceleratori che distruggono le particelle subatomiche facendole scontrare ad alta velocità e guardano cosa viene fuori dall’esplosione. Il più grande di questi acceleratori è il Large Hadron Collider in Europa, dove il bosone di Higgs – una particella che gli scienziati cacciavano da decenni – è stato scoperto nel 2012.

Attila J. Krasznahorkay e i suoi colleghi dell’ATOMKI (l’Istituto di ricerca nucleare di Debrecen, Ungheria) hanno adottato un approccio diverso, conducendo piccoli esperimenti che sparano le particelle subatomiche chiamate protoni nei nuclei di atomi diversi.

Nel 2016, hanno esaminato coppie di elettroni e positroni (la versione antimateria degli elettroni) prodotti quando i nuclei di berillio-8 sono passati da uno stato ad alta energia a uno stato a bassa energia.

Hanno trovato una deviazione da ciò che si aspettavano di vedere quando c’era un ampio angolo tra gli elettroni e i positroni. Questa anomalia potrebbe essere meglio spiegata se il nucleo emettesse una particella sconosciuta che in seguito “si divide” in un elettrone e un positrone.

Questa particella dovrebbe essere un bosone, che è il tipo di particella che trasporta la forza e la sua massa sarebbe di circa 17 milioni di volt di elettroni. È pesante circa 34 elettroni, il che è abbastanza leggero per una particella come questa. (Il bosone di Higgs, per esempio, è oltre 10.000 volte più pesante.)

A causa della sua massa, Krasznahorkay e il suo team hanno chiamato l’ipotetica particella X17. Ora hanno osservato alcuni strani comportamenti nei nuclei di elio-4 che possono anche essere spiegati dalla presenza di X17.

Quest’ultima anomalia è statisticamente significativa: un livello di probabilità a sette sigma, il che significa che esiste solo una piccolissima possibilità che il risultato si sia verificato per caso. Questo va ben oltre il consueto standard a cinque sigmi per una nuova scoperta, quindi il risultato sembrerebbe suggerire che qui ci sia della nuova fisica.

Verifica e doppio controllo

Tuttavia, il nuovo annuncio e quello del 2016 sono stati accolti con scetticismo dalla comunità della fisica, il tipo di scetticismo che non esisteva quando due team hanno contemporaneamente annunciato la scoperta del bosone di Higgs nel 2012.

Quindi perché è così difficile per i fisici credere che possa esistere un nuovo bosone leggero come questo?

Il fattore X17: una particella nuova per la fisica potrebbe risolvere il mistero della materia oscura
La nuova ricerca è guidata da Attila Krasznahorkay (a destra). Credito: Attila Krasznahorkay

Innanzitutto, esperimenti di questo tipo sono difficili, così come l’analisi dei dati. I segnali possono apparire e scomparire. Nel 2004, ad esempio, il gruppo di Debrecen ha trovato prove che interpretavano come la possibile esistenza di un bosone ancora più leggero, ma quando hanno ripetuto l’esperimento il segnale era sparito.

In secondo luogo, è necessario assicurarsi che l’esistenza stessa di X17 sia compatibile con i risultati di altri esperimenti. In questo caso, sia il risultato 2016 con il berillio che il nuovo risultato con elio possono essere spiegati dall’esistenza di X17, ma è ancora necessario un controllo indipendente da un gruppo indipendente.

Krasznahorkay e il suo gruppo hanno riportato la prima volta prove deboli (a livello di tre sigma) per un nuovo bosone nel 2012 in un seminario in Italia.

Da allora il team ha ripetuto l’esperimento utilizzando attrezzature aggiornate e ha riprodotto con successo i risultati del berillio-8, il che è rassicurante, così come i nuovi risultati dell’elio-4. Questi nuovi risultati sono stati presentati al simposio HIAS 2019 presso la Australian National University di Canberra.

Cosa c’entra questo con la materia oscura?

Gli scienziati ritengono che la maggior parte della materia nell’universo sia invisibile per noi. La cosiddetta materia oscura interagirebbe molto debolmente con la materia normale. Possiamo dedurre che esiste dai suoi effetti gravitazionali su stelle e galassie distanti, ma non è mai stato rilevato in laboratorio.

Allora, da dove viene X17?

Nel 2003, in uno di noi (Boehm) è emerso che potrebbe esistere una particella come la X17, in lavoro co-scritto con Pierre Fayet e solo . Trasporterebbe la forza tra le particelle di materia oscura più o meno allo stesso modo dei fotoni, o particelle di luce, per la materia ordinaria.

In uno degli scenari che ho proposto, le particelle leggere di materia oscura potrebbero talvolta produrre coppie di elettroni e positroni in un modo simile a quello che ha visto il team di Krasznahorkay.

Questo scenario ha portato a numerose ricerche in esperimenti a bassa energia, che hanno escluso molte possibilità. Tuttavia, X17 non è stato ancora escluso, nel qual caso il gruppo di Debrecen avrebbe potuto davvero scoprire come le particelle di materia oscura comunicano con il nostro mondo.

Sono necessarie ulteriori prove

Mentre i risultati di Debrecen sono molto interessanti, la comunità della fisica non sarà convinta che una nuova particella sia stata effettivamente trovata fino a quando non ci sarà una conferma indipendente.

Quindi possiamo aspettarci molti esperimenti in tutto il mondo che stanno cercando un nuovo bosone leggero per iniziare a cacciare prove dell’X17 e della sua interazione con coppie di elettroni e positroni.

Se arriva la conferma, la prossima scoperta potrebbe essere la particella di materia oscura stessa.


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