Le costanti fisiche fondamentali sono veramente costanti?

frankyone

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L'osservazione delle righe spettrali del metanolo, un alcool molto diffuso nell'universo, in una sorgente radio distante ha permesso di porre un limite molto stringente alla variazione di una costante fisica fondamentale, il rapporto tra la massa del protone e quella dell'elettrone. Il risultato rappresenta un punto di arrivo cruciale per tutte le ricerche sulla possibilità che le costanti possano subire variazioni anche minime su scale temporali cosmologiche

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Le costanti fondamentali della fisica sono veramente costanti, anche su scale spazio-temporali cosmologiche? Per una di esse in particolare – il rapporto tra la massa del protone e quella dell'elettrone - la risposta sembra positiva, almeno entro l'errore sperimentale, come scrivono su “Science” Julija Bagdonaite del Dipartimento di fisica e astronomia della VU University di Amsterdam e colleghi di un'ampia collaborazione internazionale.

Il modello standard della fisica delle particelle, che descrive le simmetrie e le forze della natura al livello fondamentale, non fornisce una spiegazione intrinseca dei valori delle costanti di accoppiamento fondamentali. E neppure vieta che possano dipendere dallo spazio o dal tempo.

Questa possibilità fu paventata nel 1927 dal fisico Paul Dirac, uno dei padri fondatori della teoria quantistica, il quale, riflettendo sul fatto che alle scale atomiche la forza elettromagnetica è circa 40 ordini di grandezza meno intensa di quella gravitazionale, ipotizzò che la costante di gravitazione universale stia diminuendo via via che l'universo invecchia. Questo è in aperto contrasto con il principio di equivalenza che Albert Einstein pose alla base della teoria della relatività generale, secondo cui le leggi della natura, e quindi anche le costanti fondamentali, sono indipendenti dal sistema di riferimento.

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Effetto di "lente gravitazionale" da una sorgente galattica lontana: l'analisi delle righe spettrali di molecole di metanolo ha permesso di escludere, entro i limiti sperimentali, la variazione del rapporto tra la massa del protone e quella dell'elettrone (© NASA/STScI/CNP/Corbis)

Alcuni scenari cosmologici elaborati negli ultimi decenni prevedono un meccanismo di evoluzione in cui una minima variazione delle costanti è cruciale per raggiungere l'attuale stato di complessità dell'universo. La ricerca di piccole variazioni delle costanti fondamentali adimensionali su scale temporali cosmologiche è diventata così una sfida sperimentale, che si è concentrata sull'accurata misurazione delle linee spettrali di atomi con elevato spostamento verso il rosso (redshift), cioè relative a sorgenti estremamente distanti nell'universo.

Un'interessante opportunità sperimentale è fornita da una costante adimensionale fondamentale, indicata dalla lettera greca μ, che rappresenta il rapporto tra la massa del protone e quella dell'elettrone. Una possibile variazione di questo rapporto può essere evidenziata confrontando l'osservazione delle linee spettrali della molecola d'idrogeno molecolare nelle galassie distanti con accurate misurazioni di laboratorio. Finora, le osservazioni con i più sofisticati telescopi a terra hanno permesso di guardare indietro nel tempo fino a 12 miliardi di anni fa, ponendo un limite della variazione relativa di μ, che risulta inferiore a una parte su 100.000.

Proseguendo su questa strada, gli autori di quest'ultimo studio sono andati oltre, sfruttando le osservazioni delle righe spettrali del metanolo, che garantiscono una sensibilità ancora migliore. Il metanolo è l'alcool più semplice formato dal legame di un gruppo idrossile a un gruppo metile, presente in abbondanza nell'universo e osservabile con linee spettrali nella nostra galassia.

Le osservazioni astronomiche si sono concentrate sullo spettro radio della sorgente a lente gravitazionale denominato PKS1830-211 che, con un redshift di 0,89, è a una distanza di sette miliardi di anni luce da noi. Il risultato per la variazione relativa di μ è stato di zero, con un errore di una parte su dieci milioni. Almeno entro l'accuratezza sperimentale, dunque, la costante è veramente costante.

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