Il bosone di Higgs potrebbe spiegare l’energia oscura

C’è ancora molto da scoprire sul bosone di Higgs, nonostante sia stato teorizzato oltre quarant’anni fa e osservato sperimentalmente poco più di un anno fa. Nei prossimi anni saranno effettuati studi più approfonditi sul suo spin (che dovrebbe essere nullo), sulla sua massa e sull’ipotesi che esistano due tipi di bosoni di Higgs. Ma ci sono anche alcune teorie che, a partire dalla scoperta della “particella di Dio”, si spingono oltre, per spiegare alcuni misteri ancora aperti nel mondo della fisica. Tra questi il principale resta senz’altro il mistero dell’energia oscura, l’energia misteriosa che costituirebbe circa il 70% dell’universo ma sulla cui natura resta il buio più fitto.

Particelle oltre il Modello Standard

I fisici e i cosmologi sanno solo che tale energia è responsabile dell’accelerazione dell’espansione dell’universo, comportandosi quindi come una sorta di anti-gravità. La candidata numero uno per spiegare l’energia oscura è da sempre la cosiddetta “energia del vuoto”, prodotta dalla continua creazione e annichilazione di particelle virtuali nel vuoto cosmico sulla base delle leggi della meccanica quantistica. Eppure, se calcolata, la densità dell’energia del vuoto è di 120 ordini di grandezza superiore al valore previsto dalla teoria per spiegare l’espansione dell’universo. Un problema che da quindici anni angustia i fisici, e che potrebbe essere risolto ricorrendo proprio al bosone di Higgs.

Interagendo con un'altra particella sconosciuta, il bosone di Higgs potrebbe produrre un campo scalare in grado di "normalizzare" la densità dell'energia del vuoto a un valore in grado di dar conto dell'espansione dell'universo.

“La nostra proposta è che l’esistenza della particella di Higgs nel Modello Standard, ora verificata a LHC, apra alla possibilità che altre particelle scalari fondamentali esistano in natura, alcune delle quali potrebbero interagire naturalmente con l’Higgs”, spiegano Lawrence Krauss dell’Arizona State University e James Dent dell’Università della Louisiana nel loro articolo di quattro pagine pubblicato su Physical Review Letters. Krauss, di cui in ottobre uscirà in Italia l’ultimo libro Un universo dal nulla, è uno dei più noti astrofisici e cosmologi del mondo, autore di bestseller come La fisica di Star Trek e Il mistero della massa mancante dell’universo, che già nel 2000 poneva appunto il cosiddetto “problema della costante cosmologica”.

Il problema della costante cosmologica

Il fisico e cosmologo Lawrence Krauss.

L’energia oscura può infatti essere spiegata ricorrendo a un parametro introdotto da Einstein per avere un universo statico. Tale parametro, chiamato costante cosmologica, doveva annullare gli effetti della gravitazione, che avrebbe provocato la contrazione dell’universo. Com’è noto, quando Einstein scoprì che invece l’universo era in espansione, cancellò la costante introdotta definendola “il più grave errore” della sua vita. Alla fine degli anni ’90 la scoperta dell’accelerazione dell’universo provocò una sorprendente riscoperta della costante cosmologica, che poteva dare conto di una forza in grado di respingere l’attrazione gravitazionale. Ma, se anche introdotta nelle equazioni, la costante cosmologica spiega l’accelerazione dell’universo, nel mondo reale gli scienziati non sanno a cosa corrisponda quel valore. L’energia del vuoto sarebbe appunto la candidata ideale, ma il suo valore è enormemente più alto.

La proposta dei due fisici è dunque la seguente: alla Scala di Grande Unificazione, ossia al livello di energia in cui le tre forze quantistiche – elettromagnetica, nucleare debole e nucleare forte – convergono in un’unica teoria, potrebbero esistere altre particelle in grado di produrre campi scalari come il bosone di Higgs. Un campo scalare, che in fisica è prodotto da una particella di spin zero, può essere descritto come uno spazio completamente permeato da una particella scalare, che occupa ogni punto dello spazio. In tal senso il campo di Higgs è stato paragonato a una sorta di massa gelatinosa nella quale navigano le altre particelle, che assumono tanta più massa quanto più profondamente interagiscono con il campo. Un eventuale campo scalare prodotto dall’interazione tra il bosone di Higgs e un’altra particella sconosciuta potrebbe in teoria produrre una densità di energia del vuoto del valore esattamente corrispondente a quello in grado di spiegare l’energia oscura.

Un falso vuoto?

“L’interazione fra queste particelle produrrebbe un contributo all’energia del vuoto dello stesso ordine di grandezza di quello richiesto”, spiega Mario Greco dell’Istituto nazionale di fisica nucleare all’ANSA, che definisce la teoria “molto interessante”, potendo “far da ponte fra il mondo delle particelle e l’energia oscura”. Sperimentalmente, la teoria fa alcune predizioni, come la possibilità di fenomeni di sparizione di un bosone di Higgs o la produzione di forze a lungo raggio. Tuttavia, l’energia necessaria per produrre questi fenomeni è ben al di là delle possibilità sperimentali attuali, per cui secondo gli autori l’unica dimostrabilità della teoria è da ricercare nel campo della cosmologia.

La transizione da uno stato di falso vuoto al quello di minimo energetico potrebbe essere catastrofica per l'universo.

In particolare, la teoria prevede che attualmente l’universo si trovi in uno stato di “falso vuoto”. Difatti, potrebbe esistere una densità negativa dell’energia del vuoto, quindi inferiore a quella prevista pari a zero. L’ipotesi che il nostro universo si trovi in una condizione di falso vuoto, dunque non nello stato di minima energia possibile, implica la possibilità di una futura transizione verso lo stato di minima energia. Tale transizione sarebbe catastrofica, mutando completamente il nostro universo, attraverso la trasformazione delle costanti di natura che regolano le leggi della fisica. Quest’ultima ipotesi non è nuova nelle pubblicazioni di Krauss, e non convince molto la comunità scientifica. Non fosse altro perché implicherebbe che il nostro universo possa essere spazzato via in ogni momento…