Da decenni, in fisica si cerca una quinta forza: un’ipotetica nuova interazione fondamentale oltre alle quattro già note – la gravità, l’interazione elettromagnetica e le forze nucleari debole e forte. Una quinta forza potrebbe manifestarsi come una piccola deviazione dalla legge di gravitazione di Newton, per esempio a distanze molto piccole, ed è normalmente descritta attraverso due parametri: la sua intensità e il suo raggio d’azione.
Finora, queste possibili forze sono state trattate soprattutto come possibilità aperte, da verificare sperimentalmente con misure di precisione. Un nuovo studio, guidato dal ricercatore Alfio Bonanno dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf) a Catania insieme a Emiliano M. Glaviano, dottorando Inaf presso l’Università di Catania, indica però che non tutte queste possibilità sono compatibili con una teoria della gravità quantistica matematicamente coerente.
Illustrazione artistica del collegamento tra gravità quantistica e possibili deviazioni dalla legge di Newton. Crediti: Inaf / realizzata con AI Gemini
Il lavoro si inserisce nel quadro della cosiddetta “sicurezza asintotica”, un nuovo programma teorico iniziato alla fine degli anni ’70 dal premio Nobel Steven Weinberg. Secondo questo concetto, la gravità può rimanere consistente fino a energie arbitrariamente elevate grazie all’esistenza di un particolare regime quantistico nel quale l’attrazione gravitazionale smette di aumentare, raggiungendo un comportamento controllato ad altissime energie. In questo ambito, richiedendo che la teoria resti valida e predittiva fino a quelle scale – una proprietà detta “completezza ultravioletta” – i ricercatori hanno trovato che solo una combinazione limitata dei possibili parametri osservabili delle quinte forze può essere realizzata. Il resto viene escluso su basi teoriche, indipendentemente dagli esperimenti. I risultati sono pubblicati su Physical Review Letters.
«L’aspetto più interessante è che parte della regione esclusa teoricamente non è ancora stata esplorata sperimentalmente», spiega Bonanno. «Questo significa che future misure di alta precisione della gravitazione potrebbero testare direttamente – e potenzialmente falsificare – questa classe di modelli ispirati alla gravità quantistica. La novità del nostro lavoro è mostrare quantitativamente come un requisito di coerenza alle altissime energie possa tradursi in vincoli osservabili a basse energie e a distanze macroscopiche, anche planetarie».
Di solito, in fisica, prima si ipotizzano nuove forze e poi si cerca di capire se gli esperimenti riescono a vederle oppure no. In questo caso, il ragionamento è stato diverso: la teoria stessa “scarta” automaticamente alcune possibilità. Una parte di queste “regioni” escluse non è ancora stata raggiunta dagli esperimenti attuali: si apre quindi la possibilità di futuri test della gravità quantistica attraverso misure di precisione della gravitazione.
«Il nostro studio mostra che la gravità quantistica potrebbe non essere soltanto una teoria valida a energie estreme e irraggiungibili, ma avere conseguenze concrete e testabili anche a scale molto più grandi», aggiunge Glaviano. «La fisica delle distanze infinitamente piccole potrebbe lasciare tracce osservabili nel mondo macroscopico: alcune possibili nuove forze della natura sarebbero escluse non dagli esperimenti, ma direttamente dalle leggi fondamentali della teoria».
Tra i possibili test futuri rientrano principalmente misure di precisione della gravitazione: esperimenti di laboratorio a corta distanza, come bilance di torsione e dispositivi analoghi per cercare deviazioni dalla legge di Newton; tecniche emergenti come l’interferometria atomica o i sensori quantistici; misure su scale astronomiche o del Sistema solare, come il lunar laser ranging e i vincoli dalla dinamica planetaria.
Il nuovo lavoro mette in relazione fenomeni che avvengono su scale estremamente diverse: dalla fisica delle distanze infinitamente piccole, dove dovrebbe emergere la gravità quantistica, fino a effetti potenzialmente osservabili su scale macroscopiche e astronomiche. In prospettiva, risultati di questo tipo potrebbero contribuire a orientare la progettazione di nuovi esperimenti e strategie osservative per la ricerca di possibili quinte forze.
«Una delle difficoltà principali è stata superare un blocco soprattutto concettuale: la gravità quantistica viene spesso vista come un argomento estremamente astratto, quasi impossibile da collegare a fenomeni osservabili», conclude Bonanno. «Per certi versi è come trovarsi davanti a una parete in montagna che tutti considerano non scalabile. Il primo passo non è tecnico, ma mentale: convincersi che una via possibile esista davvero. Il lavoro nasce proprio da questa idea: cercare un collegamento concreto tra la fisica delle scale infinitamente piccole e fenomeni potenzialmente osservabili nel mondo reale».
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Fifth-Force Constraints from UV-Complete Scalar–Tensor Gravity” di Alfio M. Bonanno ed Emiliano M. Glaviano