Esiste una quinta forza fondamentale nell’Universo? Forse un giorno lo sapremo grazie alle tracce di un asteroide
Tutto parte da un campione di polvere e rocce dell’asteroide Bennu, raccolto nel corso della missione Osiris-Rex della Nasa tra il 2020 e il 2023. Polvere sì, ma di grande valore, perché racchiude informazioni sulla composizione dell’universo. E non è tutto: i dati sulla traiettoria di Bennu, raccolti durante i quasi due anni di operazioni ravvicinate, potrebbero aprire la possibilità di sondare una fisica del tutto nuova, quella della mitica ‘quinta forza’ che potrebbe fare da ponte tra il mondo, come lo conosciamo, e la materia oscura. E, finalmente, scovarla nel suo nascondiglio. Ne parliamo con Sunny Vagnozzi, ricercatore al Dipartimento di Fisica e uno dei cinque coautori di uno studio internazionale.
L’argomento è uno tra quelli più complessi e misteriosi della cosmologia. Ma anche forse tra quelli più affascinanti. Per parlare di materia oscura, partiamo però da ciò che sappiamo: la traiettoria di un oggetto celeste è influenzata dalla gravità e da altri fattori. Comprendere la fisica delle traiettorie e studiare in particolare le sue anomalie può aiutare a svelare alcuni misteri e a progredire nella conoscenza nel campo dell’astrofisica. Ad esempio, prima di essere effettivamente osservata, l’esistenza del pianeta Nettuno è stata dedotta dalla rilevazione di irregolarità nell’orbita del vicino pianeta Urano.
I dati della traiettoria dell’asteroide Bennu sono stati analizzati da un team di ricerca internazionale – composto da cinque ricercatori, di cui quattro italiani – per cercare di rilevare tracce dell’esistenza di una possibile quinta forza: della particella che agirebbe come mediatrice, alterandone la traiettoria. Questa nuova particella – un bosone ultraleggero – potrebbe essere il tassello che oggi manca nella comprensione dell’universo.
L’esistenza di una quinta forza rimane ancora un mistero da risolvere: i ricercatori non sono infatti riusciti a provarne l’esistenza. Ma hanno ristretto il campo per i prossimi tentativi e lo hanno fatto in un modo finora mai immaginato, indagando le tracce della sua presenza in possibili anomalie delle traiettorie degli asteroidi. Una strada che in futuro potrebbe portare a scoperte decisive.
Dottor Vagnozzi, Lei ha lavorato come coautore nello studio pubblicato su Communications Physics. In questo studio avete aperto una nuova strada…
«Sì, abbiamo dimostrato che la quinta forza, se esiste, ha effetti ancora più deboli di quanto siamo stati capaci di misurare. Abbiamo fissato un vincolo, al di sopra del quale, non ha senso cercarla. Se volessimo usare una metafora, è un po’ come setacciare la sabbia per cercare pepite d’oro, che sono in realtà più piccole di quanto ci aspettassimo. Quello che abbiamo capito in questo studio è che per rilevare la quinta forza serve un setaccio a maglia ancora più fine. Dobbiamo cercare ancora, potenziare i nostri strumenti e dirigere l’osservazione nella direzione giusta. Ma la strada che abbiamo testato è innovativa e potrebbe in futuro darci soddisfazioni».
Cosa potremmo imparare qualora scoprissimo questa quinta forza?
«Osservare la particella mediatrice – un bosone ultraleggero – potrebbe essere il tassello che oggi manca nella comprensione dell’universo. Una sorta di estensione di quello che viene definito il ‘Modello standard’, vale a dire, una sorta di vademecum che riassume quello che finora sappiamo dell’universo. E che ci permette di capire come la materia è fatta, come si comporta e quali sono le sue interazioni fondamentali. Gravità, elettromagnetismo, forza nucleare debole e forza nucleare forte sono le quattro forze fondamentali dell’universo finora conosciute.
Ci consentono di descrivere la materia a livello microscopico in modo quasi completo. ‘Quasi’ completo, perché in effetti il modello standard non riesce a spiegare tutto ciò che osserviamo. Per esempio, proprio l’esistenza della materia oscura e dell’energia oscura. E pensare che costituiscono circa il 96% dell’universo. La loro esistenza è suggerita dalle osservazioni cosmologiche e astrofisiche. Ma siccome non si sa ancora da quali particelle e forze siano composte, ancora non rientrano nel ‘modello standard’».
E qui entra in gioco l’osservazione delle traiettorie?
«Secondo diverse teorie molto accreditate, la materia oscura potrebbe essere costituita da nuove particelle ultraleggere, che di fatto appaiono ogni qual volta si prova a estendere il Modello standard. Queste medierebbero una quinta forza oltre alle quattro già citate, in modo particolare la gravità. Dunque il moto di un corpo celeste ora sarebbe influenzato, oltre che dalla gravità, anche da questa quinta forza, le cui proprietà dipenderebbero anche dalla massa della particella di materia oscura».
Quindi, se la massa di questa particella ultraleggera fosse nel giusto intervallo di valori…
«… I suoi effetti si farebbero sentire in maniera particolarmente forte nel moto degli asteroidi. Date le implicazioni per la difesa planetaria, gli asteroidi vicini alla Terra vengono seguiti particolarmente da vicino e Bennu è uno di questi. Il nostro team ha applicato i dati di tracciamento dell’asteroide raccolti prima e durante la missione Osiris-Rex. I dati astrometrici, ottici e radar, oltre ai dati della missione stessa, hanno contribuito a limitare – o a stabilire con un certo grado di precisione – la traiettoria di Bennu da quando è stato scoperto nel 1999.
Grazie a queste osservazioni, la traiettoria di Bennu è stata vincolata, in certi punti, con precisione all’ordine del metro. Una cosa di per sé incredibile se si pensa a quanto disti da noi l’asteroide. La presenza di una nuova particella ultraleggera, che potrebbe costituire la materia oscura, genererebbe una quinta forza che altererebbe la traiettoria dell’asteroide. I dati estremamente precisi di Osiris-Rex ci permettono di testare una tale possibilità, sfruttando appunto l’effetto della quinta forza sulla traiettoria di Bennu, che abbiamo modellato in dettaglio.
Nello specifico, non essendoci anomalie nella traiettoria di Bennu, abbiamo posto vincoli molto stringenti alla possibile esistenza di una quinta forza in una regione molto interessante di spazio dei parametri. In parte di questa regione, i nostri vincoli sono tra i più forti mai riportati nella letteratura. In altre parole, se una quinta forza esiste, deve essere estremamente debole, in modo tale da alterare la traiettoria di Bennu non solo sotto lo straordinario livello di precisione alla quale quest’ultima è misurata, ma anche sotto un livello di precisione che nessuno era mai riuscito a raggiungere prima. In altre parole, in parte di questa regione, il nostro è il setaccio più fine mai utilizzato».
Da dove è partito questo lavoro e quali sono le prossime tappe?
«Con il gruppo di ricerca abbiamo esplorato per la prima volta la fisica della quinta forza con gli asteroidi in una ricerca pubblicata sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics nel 2023. Poi abbiamo affrontato lo studio dell’asteroide Bennu. Ora prevediamo di proseguire e sviluppare l’analisi con il tracciamento dell’asteroide Apophis, che nel 2029 passerà a meno di 32mila chilometri dalla superficie della Terra. La sonda Osiris-Apex della Nasa (la stessa Osiris-Rex, ribattezzata per la nuova missione) si avvicinerà all’asteroide e osserverà cosa è successo durante il passaggio ravvicinato con la Terra.
Anche l’Esa sta preparando una missione per il passaggio ravvicinato su Apophis: la missione Ramses arriverà prima di Apex e seguirà Apophis durante l’intero passaggio vicino alla Terra. I dati delle missioni, insieme alle osservazioni dell’impatto di una possibile quinta forza su Apophis durante il suo passaggio, ci forniranno dati per continuare la ricerca della quinta forza fisica».
Italiani nel mondo: ecco il team di ricerca
Nei giorni scorsi è stato pubblicato su Communications Physics, rivista scientifica del gruppo Nature, un articolo in cui sono analizzati i dati di tracciamento di un asteroide che orbita vicino alla Terra: Constraints on fifth forces and ultralight dark matter from OSIRIS-REx target asteroid Bennu.
Quattro dei cinque co-autori sono italiani, benché lavorino per lo più in istituzioni estere tra Cina, Stati Uniti, ma anche in Italia a Trento e Frascati. Sono Sunny Vagnozzi, ricercatore al Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento e al Trento Institute for Fundamental Physics and Applications; Luca Visinelli, professore alla Shanghai Jiao Tong University; Davide Farnocchia, ricercatore al Jet Propulsion Laboratory (Nasa); Marco Micheli, astronomo al Neo Coordination Centre del Planetary Defence Office della European Space Agency. Insieme a loro anche Yu-Dai Tsai del Los Alamos National Laboratory che ha firmato come primo autore.
