Un nuovo fascio di muonio prodotto al Paul Scherrer Institute potrebbe permettere di verificare per la prima volta come la gravità agisce sulle particelle di seconda generazione. Se il loro comportamento fosse diverso da quello della materia ordinaria, le conseguenze per la fisica fondamentale sarebbero enormi.
Da Galileo a Newton fino ad Albert Einstein, una delle caratteristiche più sorprendenti della gravità sembra essere la sua assoluta imparzialità. In assenza della resistenza dell’aria, un oggetto pesante e uno leggero cadono nello stesso modo. Non importa, almeno secondo le teorie attuali, quale sia la loro composizione.
Dietro questa apparente semplicità si nasconde uno dei pilastri della relatività generale: il principio di equivalenza, secondo il quale massa inerziale e massa gravitazionale sono equivalenti. In altre parole, la gravità dovrebbe agire universalmente sulla materia.
Ma siamo veramente sicuri che questo valga per tutte le particelle esistenti nell’Universo?
Un gruppo di ricercatori dell’ETH di Zurigo e del Paul Scherrer Institute (PSI), in Svizzera, ha compiuto un passo importante verso un esperimento capace di affrontare questa domanda da una prospettiva completamente nuova. Gli scienziati hanno infatti realizzato un fascio particolarmente intenso e controllato di muonio, un atomo esotico costituito da un antimuone positivo e da un elettrone. Il risultato è stato pubblicato su Nature Physics.
Il fratello pesante dell’elettrone
La materia che incontriamo nella vita quotidiana è costituita essenzialmente da particelle appartenenti alla cosiddetta prima generazione del Modello Standard: elettroni e quark che formano protoni e neutroni. La natura, però, ha prodotto altre due famiglie di particelle molto simili, ma più pesanti. Il muone, ad esempio, può essere considerato una sorta di cugino pesante dell’elettrone: possiede le stesse caratteristiche fondamentali di carica, ma una massa circa 207 volte maggiore. Perché esistano tre generazioni di particelle è ancora una delle domande aperte della fisica.
E c’è un’altra questione fondamentale: la gravità tratta le particelle delle generazioni più pesanti esattamente come quelle che formano la materia ordinaria?
Finora il principio di equivalenza è stato verificato con straordinaria precisione utilizzando materia ordinaria e, più recentemente, anche antimateria. Gli esperimenti effettuati sulla materia ordinaria hanno raggiunto precisioni dell’ordine di una parte su (10^{15}). Anche l’esperimento ALPHA del CERN ha osservato che l’antidrogeno cade verso la Terra in maniera compatibile con ciò che ci si aspetta dalla gravità convenzionale.
Ma questi test coinvolgono essenzialmente particelle della prima generazione. Il muonio offrirebbe qualcosa di completamente diverso.
Un atomo stranissimo
Nonostante il nome possa suggerire il contrario, il muonio non contiene un nucleo atomico tradizionale. È formato da un antimuone positivo e da un elettrone negativo, legati tra loro dall’interazione elettromagnetica. Assomiglia quindi strutturalmente all’idrogeno, nel quale l’elettrone orbita attorno a un protone, ma il protone viene sostituito dall’antimuone.
Questo dettaglio rende il muonio particolarmente interessante: quasi tutta la sua massa proviene direttamente da particelle elementari, soprattutto dal muone, e non dall’energia associata all’interazione forte che tiene insieme protoni e neutroni. Una misura della sua caduta gravitazionale consentirebbe quindi di verificare direttamente il comportamento gravitazionale di una particella della seconda generazione del Modello Standard.
C’è però un problema non trascurabile, il muone vive appena 2,2 microsecondi prima di decadere. Studiare gli effetti della gravità su qualcosa che esiste soltanto per pochi milionesimi di secondo è estremamente difficile.
Un cannone atomico fatto di elio superfluido
La svolta è arrivata grazie a una sostanza dalle proprietà quasi surreali: l’elio superfluido, raffreddato a circa 0,2 kelvin, pochissimi decimi di grado sopra lo zero assoluto.
I ricercatori hanno indirizzato un fascio di antimuoni prodotto dall’acceleratore del PSI all’interno di un sottilissimo strato di elio superfluido. Gli antimuoni rallentano nel liquido e possono catturare elettroni, formando così atomi di muonio. A quel punto entra in gioco una particolare proprietà energetica del sistema.
Il muonio tende a essere espulso dall’elio. Quando raggiunge la superficie, il suo potenziale chimico viene convertito in energia cinetica e l’atomo viene letteralmente sparato fuori dal liquido. Il risultato è una sorta di minuscolo cannone atomico naturale.
Gli atomi emergono dalla superficie prevalentemente nella stessa direzione e con velocità relativamente simili, producendo un fascio molto più ordinato rispetto alle sorgenti di muonio utilizzate finora. Nell’esperimento, gli scienziati hanno stimato una velocità di propagazione di circa 2,1 chilometri al secondo. Ed è proprio questa regolarità a rendere possibile il passo successivo.
Guardare la gravità spostare un’interferenza
Per misurare l’effetto gravitazionale, il gruppo sta sviluppando un interferometro atomico.
La tecnica sfrutta uno degli aspetti più sorprendenti della meccanica quantistica: anche gli atomi possono comportarsi come onde. Facendo interferire queste onde è possibile creare un particolare schema di interferenza. La gravità terrestre dovrebbe produrre una minuscola variazione di questo schema durante il brevissimo viaggio degli atomi.
Misurando lo spostamento, gli scienziati potrebbero determinare l’accelerazione gravitazionale del muonio. Secondo lo studio, il nuovo fascio potrebbe consentire una prima misura della gravità sul muonio con una precisione dell’ordine di qualche punto percentuale. Il gruppo prevede di iniziare i test del metodo con il nuovo fascio e, se lo sviluppo procederà come previsto, arrivare all’esperimento gravitazionale vero e proprio nei prossimi anni.
E se non cadesse come dovrebbe?
Il risultato più probabile, naturalmente, è che il muonio si comporti esattamente come previsto dalla relatività generale. Ma è proprio la possibilità contraria a rendere l’esperimento così interessante. Se la gravità agisse sui muoni in maniera anche leggermente diversa rispetto alle particelle della prima generazione, significherebbe che il principio di equivalenza non è completamente universale.
A quel punto sarebbe necessario cercare una spiegazione oltre la relatività generale e oltre l’attuale Modello Standard delle particelle. Una delle possibilità teoriche sarebbe l’esistenza di una quinta forza fondamentale. Oggi conosciamo quattro interazioni fondamentali: gravità, elettromagnetismo, forza nucleare forte e forza nucleare debole. Da decenni i fisici ipotizzano l’esistenza di ulteriori interazioni estremamente deboli, ma finora nessuna quinta forza è stata dimostrata sperimentalmente.
Una deviazione nel comportamento gravitazionale del muonio potrebbe fornire un indizio in quella direzione, oppure suggerire altre forme di nuova fisica. Per ora, però, non c’è alcuna prova che Einstein abbia qualcosa di cui preoccuparsi.
La scoperta annunciata dai ricercatori non consiste in una violazione della relatività generale, ma nella realizzazione di un nuovo modo per sottoporla a verifica in un territorio finora praticamente inesplorato. Ed è spesso proprio così che la fisica avanza: non aspettandosi necessariamente che una teoria crolli, ma continuando a sottoporla a esperimenti sempre più strani, precisi e difficili.
Questa volta la domanda è sorprendentemente semplice: un atomo dominato dalla massa di una particella della seconda generazione cade nello stesso modo di tutto il resto?
Se la risposta sarà sì, Einstein avrà superato un’altra prova. Se sarà no, potrebbe aprirsi una nuova finestra sulle leggi fondamentali dell’Universo.
Stefano Camilloni
