La strana storia della quinta dimensione – V Parte

di Marco Dian
– Fisica

La storia di come un’idea apparentemente impossibile e assolutamente strana ha rivoluzionato la fisica per più di un secolo. Una teoria che ha attratto le menti più brillanti del nostro tempo ma che ancora non sembra avere né una conferma né una smentita sperimentale. È la storia della quinta dimensione.

Whormhole Quinta Dimensione

Crediti: Pixabay

Nella puntata precedente:

  • La presenza di un campo gravitazionale incurva lo spaziotempo e la Relatività Generale di Einstein stabilisce che in presenza di un campo gravitazionale lunghezze e tempi non si comportano più come siamo abituati.
  • Nel 1999 Lisa Randall e Raman Sundrum elaborarono il modello RS: l’universo è costituito da due brane, quella debole che contiene tutte le particelle e le tre forze fondamentali, e quella di gravità che contiene la sola interazione gravitazionale. Le due brane sono separate dalla quinta dimensione, che risulta essere compattificata (piccola e arrotolata). 
  • La gravità è l’unica interazione fondamentale a potersi spostare tra la brana di gravità e la brana debole lungo la dimensione extra.
  • Nel 2000 i fisici teorici Yuval Grossman e Matthias Neubert hanno utilizzato il modello RS per ricavare le masse dei neutrini e per spiegare la misteriosa trama delle particelle elementari.
  • Nel 2019, sempre Neubert e alcuni collaboratori, pubblicano uno studio in cui utilizzano la teoria precedentemente elaborata per ricavare le masse dei fermioni. La teoria, però, prevede l’esistenza di una nuova particella con proprietà simili a quelle del bosone di Higgs. La particella costituisce una sorta di portale verso la quinta dimensione poiché essa si comporta come un fermione. Tuttavia essa è molto pesante e non è rilevabile neppure alle estreme energie di LHC.

Una nuova speranza

Le domande senza risposta lasciate in sospeso dallo studio di Neubert e colleghi sono durate poco, giusto il tempo di mettere mano ai calcoli e a scrivere un nuovo articolo. Infatti, due anni dopo il lavoro del 2019, nel febbraio 2021 lo stesso team di scienziati ha pubblicato un nuovo studio che potrebbe davvero costituire una svolta nella ricerca sulle dimensioni extra.

Ricorderete che la nuova particella prevista dalla teoria, simile al bosone di Higgs ma con comportamenti fermionici, è troppo pesante da poter essere rilevata dagli attuali acceleratori di particelle. Tuttavia i ricercatori hanno trovato un modo brillante per uscire dall’impiccio. Infatti, studiando a fondo le proprietà di questa particella, si è scoperto che essa potrebbe fare da mediatrice di una nuova interazione fondamentale.

Così come i fotoni sono i mediatori della forza elettromagnetica, i gluoni quelli della forza nucleare forte e i bosoni W e Z mediano la forza nucleare debole, anche la nuova particella – o meglio, il campo scalare da essa generato – dovrebbe fare lo stesso con una nuova forza. Ma che cosa rappresenta questa nuova forza? E soprattutto, tra che cosa agisce? Il gruppo di Neubert e colleghi è convinto che la nuova interazione potrebbe interessare le particelle elementari ordinarie e la misteriosa materia oscura.

Un attimo, cerchiamo di fare un po’ di chiarezza: cosa c’entra adesso la materia oscura? Sappiamo per certo che la materia oscura esiste e nessuno lo metterebbe mai in dubbio. Le curve di rotazione delle stelle nelle galassie e quelle delle galassie negli ammassi non lasciano altra scelta: deve esserci qualcosa che non vediamo per permettere alle stelle nelle galassie di non disperdersi nella desolata vastità del cosmo. Lo stesso deve avvenire per le galassie negli ammassi di galassie.

Con una serie di osservazioni effettuate presso il Kitt Peak Observatory in Arizona, nel 1968 Vera Rubin studiò la curva di rotazione delle stelle nella galassia a spirale M31, più comunemente nota come Andromeda, distante da noi appena 2.5 milioni di anni luce. Servendosi della tecnica della spettroscopia, la Rubin misurò la velocità di rotazione delle stelle rispetto al centro di M31. Con una certa sorpresa scoprì che le stelle poste ai margini della galassia ruotano più velocemente rispetto a quanto previsto dalle leggi di Keplero. Talmente veloci che sarebbero dovute schizzare fuori dalla galassia! Ma perché, allora, le stelle esterne non si disperdevano nel cosmo? Doveva esserci una qualche forma di materia che, sebbene non avesse alcuna interazione con la luce, esercitava una forza gravitazionale abbastanza alta da tenere le stelle ben confinate all’interno delle galassie: la materia oscura.

Senza materia oscura non ci sarebbero le galassie e gli ammassi di galassie. Le stelle vagherebbero senza meta nella fredda oscurità del nulla cosmico. Finirebbero per spegnersi, una dopo l’altra, senza la possibilità che si formino sistemi planetari. La Terra non esisterebbe e, di conseguenza, nemmeno la vita, voi e me. Ma, badate bene, non è una questione antropocentrica: la materia oscura deve esistere davvero, se non altro per modellare il cosmo così com’è oggi, indipendentemente dalla nostra esistenza. Questa massa invisibile interagisce soltanto gravitazionalmente con la materia ordinaria.

In quest’immagine, ora, inseriamo il modello RS e la nuova particella prevista dai recenti studi. Questi ci dicono che la gravità risiede su una brana separata dalla nostra e comunica con noi attraverso la quinta dimensione. La particella ha le proprietà dei bosoni – i mediatori delle forze fondamentali – ma si comporta a tutti gli effetti come i fermioni – le particelle che costituiscono la materia ordinaria. Questo nuovo fermione potrebbe fare da portale alla dimensione extra ed essere il portatore di una nuova forza tra la materia oscura e quella visibile. Ma non è finita qui perché la nuova teoria spiega anche l’abbondanza di materia oscura osservata negli esperimenti astrofisici.

La materia oscura, quindi, potrebbe essere costituita da fermioni che sono rimasti confinati nella dimensione extra. La loro esistenza si fa sentire sulla nostra brana quadridimensionale attraverso l’interazione gravitazionale. In linea di principio, dunque, si potrebbe analizzare l’interazione tra la materia oscura e quella ordinaria tramite osservazioni astrofisiche. Poi, dal momento in cui la teoria della dimensione extra permette calcoli molto precisi riguardo alla nuova forza mediatrice tra le due tipologie di materia, si potrebbero confrontare i risultati. 

In questo modo sarà possibile determinare se effettivamente la materia oscura è formata da particelle di materia ordinaria, come i fermioni, ma intrappolate in una dimensione extra compattificata. “Alla fine – ed è la nostra speranza – la nuova particella potrebbe essere scoperta attraverso le sue interazioni con la materia oscura”, affermano i ricercatori.

È questa la fine?

Ci stiamo avviando verso la fine di questa lunga storia meravigliosa. Abbiamo visto come da un’idea nata negli anni ’20 del novecento si sia sviluppata una nuova scienza, fatta di universi-brana, dimensioni aggiuntive, nuove particelle e spazi curvi. Né Kaluza né Klein avrebbero mai immaginato che la loro teoria sulle dimensioni extra avrebbe condotto a tanto. 

Nata nel 1919 come una curiosità di uno sconosciuto Theodor Kaluza e poi perfezionata nel 1926 dallo svedese Oscar Klein, l’introduzione della quinta dimensione nelle teorie fisiche ha portato alla scoperta di nuovi modi per risolvere grandi problemi. Utilizzando la quinta dimensione arrotolata è stato possibile formulare un modello – il modello Randall-Sundrum – che risolvesse uno dei più grandi problemi del Modello Standard, quello della gerarchia. Inoltre, raffinando il modello, è stato anche possibile spiegare l’origine delle masse e delle varie generazioni di particelle, un’altra questione in sospeso nel Modello Standard. Per non farsi mancare niente, poi, anche l’enigma della materia oscura potrebbe essere risolto utilizzando la dimensione extra.

Non è la prima volta che nella scienza un’idea o una scoperta nate per uno scopo hanno avuto conseguenze in ambiti totalmente diversi. Per esempio, nel primo decennio del ‘900 Fritz Haber mise a punto e brevettò un processo per sintetizzare l’ammoniaca su grande scala utilizzando come reagenti idrogeno e azoto. Nacquero così i primi fertilizzanti, fondamentali per risolvere il grave problema degli approvvigionamenti di cibo che in quegli anni iniziava a scarseggiare. Da non tralasciare il fatto che il processo ideato da Haber servì anche a produrre gas tossici e utilizzarli come armi di distruzione di massa durante la I Guerra Mondiale.

La stessa relatività di Einstein ci permette di avere a disposizione il GPS nei nostri smartphone che ci indica con estrema precisione la nostra posizione sul pianeta. Senza relatività, gli errori nei calcoli delle posizioni sarebbero totalmente sbagliate poiché il tempo segnato dagli orologi nei satelliti è diverso da quello degli orologi sulla terra. Di certo Einstein non avrebbe mai immaginato questa implicazione della sua teoria.

La scienza è fatta così: un giorno si scopre una cosa e il giorno dopo si usa quella cosa per un altro scopo. Anche la teoria di Kaluza-Klein, inizialmente screditata e messa alla gogna troppo presto, sta mostrando i suoi risultati. È sicuramente troppo presto per cantare vittoria e i fisici questo lo sanno bene dopo l’esperienza della supersimmetria e delle stringhe. Servono prove, conferme più precise, nuove osservazioni e teorie più calzanti.

Ma una cosa è chiara: la ricerca sulla quinta dimensione sta risolvendo, uno dopo l’altro, i grandi problemi che affliggono il Modello Standard e la fisica moderna. Cosa più importante, poi, questa nuova teoria non è in conflitto con i dati delle osservazioni cosmologiche né con quelli degli acceleratori di particelle. La nostra storia finisce qui, ma quella della dimensione extra siamo certi continuerà ancora per molto.