La quinta forza e mezza

Avevo intenzione di scrivere solo due righe su una vecchia news...

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Più tardi, mentre stavo discutendo di problemi cosmologici con Einstein, egli osservò che l'introduzione del termine cosmologico fu il più grande abbaglio della sua vita.⁽²⁰⁾

La prima volta che ho avuto un incontro ravvicinato con una quinta forza è stato a fine settembre 2011 per un seminario di Valeria Pettorino, Interactions in the dark sector: impact on CMB and large scale structure⁽²¹⁾, presso l’Osservatorio Astronomico di Brera. Il modello che la ricercatrice venne a raccontare è semplicemente uno dei tanti che si propone di risolvere il principale dilemma cosmico della nostra epoca: l'esistenza e la natura di materia ed energia oscure.

Un nuovo paradigma cosmico

Distribuzione della materia oscura nell'universo in base alla Millennium simulation

L'idea che nel cosmo ci fosse più di quel che si vede era nota da tempo: da un lato i calcoli sui buchi neri realizzati da Karl Schwarzschild⁽¹⁾ e Johannes Droste⁽²⁾, allievo di Hendrik Lorentz, che prevedevano all’interno della relatività generale di Albert Einstein l'esistenza di una singolarità gravitazionale, ovvero un punto (o una regione) con una densità di massa così alta da generare una curvatura dello spaziotempo tanto grande da impedire persino alla luce di sfuggire alla sua attrazione^{(3, 4)}. Dall'altro, invece, le osservazioni che spinsero Fritz Zwicky⁽⁵⁾ a proporre il concetto di materia oscura⁽⁶⁾.
Le prime forti evidenze dell’esistenza di materia oscura giunsero con lo studio delle proprietà delle galassie, in particolare della loro velocità di rotazione⁽⁷⁾, che da un certo punto in poi invece di decrescere come previsto, restava costante. Tale osservazione era spiegabile solo introducendo una quantità di massa non visibile all'interno della galassia, stimata da Vera Rubin in all'incirca 6 volte maggiore della massa visibile⁽⁸⁾.
Altre misure che permettono di verificare l’esistenza della materia oscura sono quelle sulla velocità di dispersione delle galassie, misure gneriche sugli ammassi di galassie e l’utilizzo della lente gravitazionale, lo studio della radiazione cosmica di fondo e, tra gli altri, le importanti osservazioni sulle supernove di tipo Ia. Il primo studio che si occupò in maniera estensiva di questa classe di stelle, associandole a un processo di espansione accelerata dell'universo, venne pubblicato dal High-Z Supernova Search Team nel 1988⁽⁹⁾ cui fece seguito, l'anno dopo, l'articolo del Supernova Cosmology Project⁽¹⁰⁾, che ne confermava i risultati. L'effetto di tale scoperta, che implicava l'esistenza di un nuovo tipo di energia, chiamata per analogia energia oscura, fu l'assegnazione nel 2011 del Premio Nobel per la fisica a Saul Perlmutter, Brian Schmidt e Adam Riess.

La supernova di Keplero

La spiegazione più semplice per l'esistenza dell'energia oscura è nell'introdurre nuovamente nella relatività generale la costante cosmologica, che Einstein aveva inserito nella prima versione dell'equazione della relatività immaginando un universo statico e successivamente cancellato non appena venne a conoscenza delle soluzioni di Alexander Friedmann, che prevedevano un universo in espansione, cosa per altro osservata da Edwin Hubble⁽¹¹⁾. Il modello così prodotto è oggi noto come $\Lambda$-CDM, dove $\Lambda$ è la costante cosmologica. Quest'ultima è l'espressione di una presione negativa che contrasta quella generata dalla gravità prodotta dal contenuto in massa dell'universo.
Di idee alternative a questo modello ne sono state prodotte molte (d'altra parte la fantasia dei fisici teorici non ha limiti!), e una di queste è il così detto modello della quintessenza cosmica.

Il ritorno dell'etere

Vortici di etere - via Rudy Rucker

L'etere dei bei tempi andati, che venne presto soppiantato dal primo principio di relatività, ovvero la costanza della velocità della luce da qualsiasi sistema di riferimento venga misurata, sembrerebbe rientrare zitto zitto grazie alla quintessenza cosmica. Essa è un particolare campo scalare introdotto per spiegare l'espanzione accelerata dell'universo. Il primo esempio di un oggetto di tal genere venne proposto nel 1988 da Bharat Ratra e Jim Peebles⁽¹²⁾ e succesivamente approfondito, con l'introduzione del termine quintessenza ad esso associato, da R.R. Caldwell, Rahul Dave e Paul Steinhardt⁽¹³⁾ nel 1998.
Un po' come per la teoria delle stringhe, anche per questa esistono molti modelli della quintessenza, che però sono caratterizzati da un elemento fondamentale: a differenza della costante cosmologica, il cui valore risulta invariato nel tempo, sono modelli dinamici in cui il contributo della quintessenza all'universo risulta variabile. I modelli di quintessenza possono essere classificati in due grandi categorie, la quintessenza accopiata, in cui si studiano gli effetti di un accoppiamento tra materia ed energia oscure, e la quintessenza estesa, che è a tutti gli effetti una teoria tensoriale della quintessenza⁽¹⁴⁾.
Proprio questo modello fu l'oggetto del seminario dell'epoca di Valeria Pettorino: l'idea (andando un po' a memoria, ma gli articoli nelle note hanno aiutato) è che la quintessenza, identificata come la quinta forza fondamentale⁽¹⁵⁾ e che prevede ovviamente l'esistenza di un bosone abbinato, permetta non solo l'accoppiamento tra materia ed energia oscure⁽¹⁶⁾, ma anche con i neutrini⁽¹⁷⁾, le uniche particelle all'interno del modello standard a interagire poco o per nulla con il resto dello zoo.
Se il modello della quintessenza possiede l'indubbio fascino di non dover reinserire una costante cosmologica all'interno dell'equazione di Einstein, anche per problemi di parametri⁽¹¹⁾, non sembra (forse) ancora sufficientemente maturo per prendere il posto del modello, ormai standard, $\Lambda$-CDM, almeno relativamente alla descrizione dell'evoluzione del cosmo. D'altra parte una quinta forza alternativa alla quintessenza ha fatto capolino quest'estate, introdotta dal gruppo di teorici guidato da Jonathan Feng per spiegare un'osservazione non standard dell'anno precedente.

Un colpo al berillio

Nel 2015 preso l'Istituto per le ricerche nucleari a Debrecen, in Ungheria, il team di Attila Krasznahorkay dichiarò di aver rilevato un nuovo bosone leggero con una massa solo 34 volte superiore a quella dell'elettrone⁽¹⁸⁾. Il gruppo stava studiando il berillio-8, un isotopo del berillio dalla vita piuttosto breve (circa $7 \cdot 10^{-17}$ secondi), ma comunque importante per la vita nel cosmo, visto il suo ruolo fondamentale nel processo di produzione del carbonio nelle stelle, come suggerito per la prima volta da Fred Hoyle.

Il processo tre alfa per la produzione di carbonio che coinvolge il berillio-8

Per produrre i nuclei instabili di berillio-8 in laboratorio, il gruppo bombardò una targhetta di litio-7 con un fascio di protoni. L'isotopo così creato, decadde generando un fotone ad alta energia che spontaneamente creò una coppia elettrone-positrone. Studiando lo spettro di produzione di coppia, il gruppo trovò un leggero picco intorno ai 17 MeV⁽¹⁸⁾.
Questa anomalia non passò inosservata ai teorici, in particolare al già citato Feng che giusto quest'estate ha prodotto una spiegazione teorica per questo presunto bosone leggero che implica l'esistenza di una quinta forza fondamentale⁽¹⁹⁾. Il punto, e qui mi vedo d'accordo con molti dei commenti che circolarono, è che, come nel caso dei neutrini superluminali, è l'esperimento di Krasznahorkay che ha la necessità di essere validato, visto che, come ricorda Ethan Siegel, il laboratorio ungherese è famoso per aver spesso annunciato la scoperta di nuove particelle che, a successive verifiche, si sono rivelate degli errori sperimentali.

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1. Schwarzschild, K. (1916). "Über das Gravitationsfeld eines Massenpunktes nach der Einsteinschen Theorie". Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften. 7: 189–196;
   Schwarzschild, K. (1916). "Über das Gravitationsfeld einer Kugel aus inkompressibler Flüssigkeit nach der Einsteinschen Theorie". Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften. 18: 424–434 ↩
2. Droste, J. (1917). "On the field of a single centre in Einstein’s theory of gravitation, and the motion of a particle in that field" (pdf). Proceedings Royal Academy Amsterdam. 19 (1): 197–215 ↩
3. Come ricorda ottimamente Marco Fulvio Barozzi, il primo a proporre delle stelle con le caratteristiche oggi note dei buchi neri, fu John Michell semplicemente utilizzando dei calcoli di meccanica newtoniana:

   Se il semidiametro di una sfera della stessa densità del Sole eccedesse quello del Sole in proporzione di cinquecento a uno, un corpo che cade da un'altezza infinita verso di esso, dovrebbe aver acquisito alla sua superficie una velocità maggiore di quella della luce, e, di conseguenza, supponendo che la luce sia attratta dalla stessa forza in proporzione alla sua [massa] con altri corpi, tutta la luce emessa da tale corpo dovrebbe tornare verso di esso, a causa della sua stessa gravità.

   Anche Pierre-Simon Laplace propose un'idea simile in Exposition du système du Monde:

   Un astro luminoso, della stessa densità della Terra, e il cui diametro sia 250 volte quello del Sole, non permetterebbe, a causa della sua attrazione, ad alcuno dei suoi raggi di giungere fino a noi; è pertanto possibile che i più grandi corpi luminosi dell'universo possano, a causa di ciò, essere invisibili

   ↩
4. Michell, J. (1784). On the Means of Discovering the Distance, Magnitude, &c. of the Fixed Stars, in Consequence of the Diminution of the Velocity of Their Light, in Case Such a Diminution Should be Found to Take Place in any of Them, and Such Other Data Should be Procured fr Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 74, 35-57 DOI: 10.1098/rstl.1784.0008 (sci-hub) ↩
5. Zwicky, F. (1937). On the Masses of Nebulae and of Clusters of Nebulae The Astrophysical Journal, 86 DOI: 10.1086/143864 versione inglese di Zwicky, F. (1933), "Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln", Helvetica Physica Acta, 6: 110–127, Bibcode:1933AcHPh…6…110Z ↩
6. Ad essere pignoli il primo a proporre l’esistenza di una materia oscura utilizzando le velocità stellari fu l'astronomo olandese Jacobus Kapteyn:

   It is incidentally suggested that when the theory is perfected it may be possible to determine the amount of dark matter from its gravitational effect.

   da Kapteyn, J. (1922). First Attempt at a Theory of the Arrangement and Motion of the Sidereal System The Astrophysical Journal, 55 DOI: 10.1086/142670
   Una decina di anni più tardi anche Jan Oort teorizzò l'esistenza di una materia di tal genere in
   Oort, J.H. (1932) "The force exerted by the stellar system in the direction perpendicular to the galactic plane and some related problems," Bulletin of the Astronomical Institutes of the Netherlands, 6: 249-287.
   Egli stava studiando il moto stellare nel grupo locale galattico, scoprendo che la massa nel piano galattico doveva essere più grande di quella osservata. Tale misura, però, si rivelò successivamente errata. ↩
7. Babcock, H, 1939, "The rotation of the Andromeda Nebula", Lick Observatory bulletin no. 498 (pdf) ↩
8. Rubin, V., Thonnard, N., & Ford, W. (1980). Rotational properties of 21 SC galaxies with a large range of luminosities and radii, from NGC 4605 /R = 4kpc/ to UGC 2885 /R = 122 kpc/ The Astrophysical Journal, 238 DOI: 10.1086/158003 ↩
9. Riess, A., Filippenko, A., Challis, P., Clocchiatti, A., Diercks, A., Garnavich, P., Gilliland, R., Hogan, C., Jha, S., Kirshner, R., Leibundgut, B., Phillips, M., Reiss, D., Schmidt, B., Schommer, R., Smith, R., Spyromilio, J., Stubbs, C., Suntzeff, N., & Tonry, J. (1998). Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant The Astronomical Journal, 116 (3), 1009-1038 DOI: 10.1086/300499 ↩
10. Perlmutter, S., Aldering, G., Goldhaber, G., Knop, R., Nugent, P., Castro, P., Deustua, S., Fabbro, S., Goobar, A., Groom, D., Hook, I., Kim, A., Kim, M., Lee, J., Nunes, N., Pain, R., Pennypacker, C., Quimby, R., Lidman, C., Ellis, R., Irwin, M., McMahon, R., Ruiz‐Lapuente, P., Walton, N., Schaefer, B., Boyle, B., Filippenko, A., Matheson, T., Fruchter, A., Panagia, N., Newberg, H., Couch, W., & Project, T. (1999). Measurements of Ω and Λ from 42 High‐Redshift Supernovae The Astrophysical Journal, 517 (2), 565-586 DOI: 10.1086/307221 (arXiv) ↩
11. Davis, T., & Griffen, B. (2010). Cosmological constant Scholarpedia, 5 (9) DOI: 10.4249/scholarpedia.4473 ↩ ↩
12. Ratra, B., & Peebles, P. (1988). Cosmological consequences of a rolling homogeneous scalar field Physical Review D, 37 (12), 3406-3427 DOI: 10.1103/PhysRevD.37.3406 (sci-hub) ↩
13. Caldwell, R., Dave, R., & Steinhardt, P. (1998). Cosmological Imprint of an Energy Component with General Equation of State Physical Review Letters, 80 (8), 1582-1585 DOI: 10.1103/PhysRevLett.80.1582 (arXiv) ↩
14. Pettorino, V., & Baccigalupi, C. (2008). Coupled and extended quintessence: Theoretical differences and structure formation Physical Review D, 77 (10) DOI: 10.1103/PhysRevD.77.103003 (arXiv) ↩
15. Paul F. Kisak (2016), Quintessence: A Theoretical Fifth Force of Nature, CreateSpace Independent Publishing Platform ↩
16. Pettorino, V. (2013). Testing modified gravity with Planck: The case of coupled dark energy Physical Review D, 88 (6) DOI: 10.1103/PhysRevD.88.063519 (arXiv) ↩
17. Casas, S., Pettorino, V., & Wetterich, C. (2016). Dynamics of neutrino lumps in growing neutrino quintessence. arXiv preprint ↩
18. Krasznahorkay, A., Csatlós, M., Csige, L., Gácsi, Z., Gulyás, J., Hunyadi, M., Kuti, I., Nyakó, B., Stuhl, L., Timár, J., Tornyi, T., Vajta, Z., Ketel, T., & Krasznahorkay, A. (2016). Observation of Anomalous Internal Pair Creation in $^8$Be: A Possible Indication of a Light, Neutral Boson Physical Review Letters, 116 (4) DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.042501 (arXiv) ↩ ↩
19. Feng, J. L., Fornal, B., Galon, I., Gardner, S., Smolinsky, J., Tait, T. M., & Tanedo, P. (2016). Particle Physics Models for the 17 MeV Anomaly in Beryllium Nuclear Decays. arXiv preprint ↩
20. Gamow, George (1970). My World Line. Viking, New York. via scholarpedia ↩

21. L'abstract del seminario:

    I will give an overview of coupled dark energy models, in which dark energy interacts with other species in the universe. I will illustrate the effects that coupled dark energy and the presence of a fifth force can have at the linear and non-linear level on structure formation. In particular I will describe the case of growing neutrino quintessence, where dark energy properties are connected to the neutrino mass, predicting the possibility of having stable neutrino lumps at supercluster scales.

    ↩