Risultato rivoluzionario: ricercatori svelano i misteri della quinta forza della natura, a lungo teorizzata

Un gruppo di ricerca guidato dall’National Institute of Standards and Technology (NIST) ha svelato i misteri della quinta forza della natura

Esiste una quinta forza nella natura, a lungo teorizzata ma mai “vista”. Oggi un gruppo di ricerca guidato dall’National Institute of Standards and Technology (NIST) ne hanno svelati alcuni misteri e contemporaneamente sono riusciti a misurare una proprietà chiave dei neutroni per la prima volta nella storia.

Il lavoro è stato condotto puntando ai neutroni, particelle subatomiche localizzate nei nuclei atomici e prive di carica, in particolare quelli di cristalli di silicio, e monitorando il risultato con una sensibilità mai raggiunta prima, con l’obiettivo di verificare se la quinta forza della natura, da tempo teorizzata ma mai misurata in alcun modo, esistesse davvero.

Per ottenere informazioni sui materiali cristallini su scala atomica, gli scienziati puntano generalmente un raggio di particelle (come raggi X, elettroni o neutroni) sul cristallo e rilevano le proprietà del materiale mentre tale raggio attraversa o rimbalza sui piani del reticolo, l’architettura di base del cristallo.

Tali informazioni sono di fondamentale importanza per caratterizzare le proprietà elettroniche, meccaniche e magnetiche dei componenti dei microchip e di vari nuovi nanomateriali per applicazioni di prossima generazione, tra cui l’informatica quantistica. Che, anche se sembra fantascienza, è già una realtà.

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Una comprensione notevolmente migliorata della struttura cristallina del silicio, il substrato ‘universale’, il materiale di base su cui è costruito tutto, sarà cruciale per comprendere la natura dei componenti che operano vicino al punto in cui l’accuratezza delle misurazioni è limitata dagli effetti quantistici

spiega Michael Huber, scienziato senior del progetto.

Cosa accade a livello quantistico

A livello subatomico, infatti, non valgono più le leggi della fisica classica ed esiste un vero e proprio limite imposto dalla natura che ci impedisce di proseguire. Solo per citare un esempio, una delle leggi fondamentali di questa affascinante branca della fisica è infatti il Principio di indeterminazione di Heisemberg che stabilisce, “per legge”, come sia impossibile determinare contemporaneamente la velocità e la massa di un elettrone.

Quello che può fare l’uomo è avvicinarsi a tali limiti sempre di più. Ed è quello che sono riusciti a fare i ricercatori del NIST, migliorando di quattro volte la precisione delle misure sulla struttura del cristallo di silicio.

Come tutti gli oggetti quantistici, i neutroni hanno proprietà sia di particelle puntiformi che di onde. Quindi quando un neutrone, che è una particella dotata di una massa, seppur piccolissima, viaggia attraverso il cristallo, genera onde (come una corda di chitarra pizzicata), e, quando le onde provenienti da ciascuna delle due rotte si combinano (tecnicamente “interferiscono”), creano delle particolari oscillazioni dette pendellösung che forniscono informazioni sulle forze che i neutroni sperimentano all’interno del cristallo.

Immagina due chitarre identiche – spiega ancora Huber – prendile allo stesso modo, e mentre le corde vibrano, guidane una lungo una strada con dossi – cioè lungo i piani degli atomi nel reticolo – e guida l’altra lungo una strada della stessa lunghezza senza dossi – analogo allo spostamento tra i piani del reticolo. Il confronto dei suoni di entrambe le chitarre ci dice qualcosa sui dossi: quanto sono grandi, quanto sono lisci e se hanno forme interessanti

I risultati

Gli scienziati in questo modo sono riusciti ad ottenere tre risultati straordinari: la prima misurazione di una proprietà chiave dei neutroni, le misurazioni di massima precisione degli effetti delle vibrazioni legate al calore in un cristallo di silici, e i “confini” di una possibile quinta forza della natura.

1. I neutroni non sono proprio neutri

Sembra una contraddizione in termini, eppure è vero. Gli scienziati hanno misurato infatti il ‘raggio di carica ​​elettrica’ con una precisione decisamente maggiore rispetto al passato, dimostrando che queste particelle,  pur nel complesso elettricamente neutre, hanno una distribuzione interna di carica che li rende disomogenei in tal senso.

Questo perché i neutroni sono oggetti compositi formati da tre particelle elementari cariche chiamate quark con proprietà elettriche diverse che non sono esattamente distribuite uniformemente.

2. Occhio alle vibrazioni

Una valida alternativa ai neutroni per le misurazioni delle proprietà dei cristalli è lo scattering a raggi X. Ma la sua precisione è stata limitata dal movimento atomico provocato dal calore. La vibrazione termica, in particolare, modifica continuamente le distanze tra i piani di cristallo e quindi i modelli di interferenza misurati.

Ma ora ne sappiamo di più: gli scienziati hanno infatti misurato le oscillazioni pendellösung neutroni stessi per testare i valori previsti dai modelli di diffusione dei raggi X e hanno scoperto che alcuni sottovalutano significativamente l’entità della vibrazione. Questo risultato fornisce preziose informazioni complementari sia per la diffusione di raggi X che di neutroni.

3. La quinta forza della natura

Da tempo la comunità scientifica sospetta che le attuali teorie sulle forze e in generale sui meccanismi della natura siano incomplete, ipotizzando che dell’universo ci sia molto di più di quanto descritto attualmente nel cosiddetto Modello Standard.

Tale impianto teorico descrive tre forze fondamentali in natura: elettromagnetica, nucleare forte e nucleare debole, ognuna delle quali opera attraverso l’azione di “particelle portatrici”, il cui scambio genera la forza di riferimento.

Su questo sappiamo che il fotone è il vettore per la forza elettromagnetica, ma nessuno ha mai trovato la particella che “porta” la forza di gravità nella sua descrizione della natura (quello che qualcuno ha provato a chiamare “gravitone”, senza però trovarlo mai). Inoltre, alcuni esperimenti e teorie suggeriscono la possibile presenza di una quinta forza.

I ricercatori guidati dal NIST sono riusciti ora a determinare i “confini” di azione di questa quinta forza, restringendo il campo di ricerca (come se avessero trovato il “recinto” dove qualcuno si è nascosto).

Generalmente, se c’è un vettore di forza, la scala di lunghezza su cui agisce è inversamente proporzionale alla sua massa – spiega Benjamin Heacock, primo autore del lavoro – il che significa che può influenzare solo altre particelle in un intervallo limitato. Ma il fotone, che non ha massa, può agire su un raggio illimitato. Quindi, se possiamo delimitare l’intervallo entro il quale potrebbe agire, possiamo limitarne la forza

I risultati degli scienziati hanno migliorato i limiti sulla potenziale quinta forza di dieci volte su una scala di lunghezza compresa tra 0,02 e 10 nanometri (miliardesimi di metro), dando ai cacciatori di quinta forza un intervallo ristretto entro il quale guardare.

Cacciatori tra cui loro stessi si candidano, pianificando le misurazioni sulle oscillazioni pendellösung dei neutroni sia del silicio che del germanio, e puntando ad un possibile fattore di riduzione di cinque nelle loro incertezze, il che potrebbe produrre la misurazione più precisa del raggio della carica di neutroni fino ad oggi e limitare ulteriormente (o magari scoprire davvero) una quinta forza.

Hanno anche in programma di eseguire una versione criogenica dell’esperimento, che fornirebbe informazioni su come si comportano gli atomi di cristallo nel loro cosiddetto ‘stato fondamentale quantistico’, che spiega il fatto che gli oggetti quantistici non sono mai perfettamente fermi, anche a temperature che si avvicinano allo zero assoluto (temperatura alla quale, in linea teorica, la materia scompare, ovviamente mai raggiunta sperimentalmente).

Il lavoro del NIST è davvero molto di più di una curiosità scientifica. Il silicio, infatti, è di importanza fondamentale per molteplici applicazioni industriali e tecnologiche, presente, solo per citare un esempio, nei circuiti elettronici. Lo studio, quindi, apre molte porte sulle comunicazioni quantistiche e su materiali innovativi per qualsivoglia impiego.

La ricerca è stata pubblicata su Science.

Fonti di riferimento: NIST / Science

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