Il numero di questa settimana dell’influente rivista americana New Scientist è dedicato all’energia oscura, non esageratamente definito “il più grande mistero cosmico ancora irrisolto”. Mentre infatti sull’altra componente ignota dell’universo, la materia oscura, le prove indiziarie si stanno accumulando al punto da convincere diversi scienziati dell’imminente risoluzione del mistero, sull’energia oscura si continua a non sapere nulla, da quando, era il 1998, in una storica conferenza, due gruppi di ricerca (premiati nel 2011 con il Nobel per la fisica) svelarono che l’universo stava accelerando la sua espansione sotto l’effetto di una forza sconosciuta che, a conti fatti, costituisce circa il 75% dell’universo. Sappiamo che questa forza, battezzata appunto “energia oscura”, si oppone alla forza gravitazionale che invece dovrebbe gradualmente rallentare l’espansione dell’universo iniziata con il Big Bang. E sappiamo che Albert Einstein, senza saperlo, l’aveva predetta quasi un secolo fa, introducendo nelle sue equazioni della relatività generale applicata alla cosmologia un fattore, definito “lambda”, che controbilanciava la gravità. Oggi la chiamiamo costante cosmologica: funziona, nelle equazioni. Ma non sappiamo a cosa corrisponda lì fuori, nell’universo.

Repulsione gravitazionale

Un’ipotesi eretica, ma supportata dalla matematica e dal metodo scientifico, giunge ora da un astrofisico italiano, Massimo Villata dell’Osservatorio di Torino, che in una pubblicazione sostiene la validità di un modello alternativo all’ipotesi dell’energia oscura. Secondo questo modello, esisterebbe davvero una forza repulsiva, una forza antigravitazionale, nell’universo. Sarebbe l’effetto dell’interazione tra materia e antimateria e permetterebbe di spiegare l’accelerazione dell’espansione cosmica facendo a meno delle ipotesi dell’energia e della materia oscura. Villata ha esposto il modello in un articolo del 2011 sull’EPL Journal, riprendendolo oggi su notiziario online dell’Istituto Nazionale di Astrofisica in seguito alla pubblicazione dei primi risultati dell’esperimento ALPHA al Cern di Ginevra sul comportamento gravitazionale dell’antimateria che potrebbe offrire un primo elemento a favore del modello teorico.

In sostanza, l’ipotesi è semplice: mentre l’interazione materia-materia è di tipo attrattivo, come sappiamo da Newton a oggi, l’interazione gravitazionale tra materia e antimateria, finora considerata ugualmente attrattiva, potrebbe in realtà essere di segno opposto, ossia repulsiva. Considerando che l’antimateria è stata scoperta negli anni ’30 del secolo scorso, verrebbe da chiedersi perché ancora non sappiamo come si comporti l’antimateria all’interno di un campo gravitazionale. Il problema sta nel fatto che la forza gravitazionale è, tra le quattro forze della natura, la più debole. Se quando inciampiamo e cadiamo a terra non la pensiamo allo stesso modo è perché ad attrarci verso terra è la forza gravitazionale esercitata da una massa enorme, quella dell’intero pianeta Terra. Ma quando dobbiamo analizzare l’interazione gravitazionale tra due particelle, la cosa si fa difficilissima: tant’è che solo oggi, all’interno dell’acceleratore LHC di Ginevra, si è cominciato ad analizzare questa interazione, resa difficile ovviamente anche dal fatto che produrre l’antimateria è molto complicato e quel che si riesce a produrre si limita a poche anti-particelle.

L'antigravità è l'energia oscura?

La maggioranza degli scienziati è convinta che anche l’antimateria, sottoposta alla gravità, si comporti come la materia, subendo cioè una forza attrattiva. Anche se un’antiparticella, come per esempio il positrone (l’opposto dell’elettrone), ha una carica e uno spin opposti alla sua particella-gemella, la massa è pur sempre quella. Non può esistere una massa negativa. Quindi, poiché l’attrazione gravitazionale è diretta conseguenza della presenza di una massa, anche l’antimateria la subirà. Tutto vero, assicura Villata, quando si tratta di descrivere l’interazione gravitazionale tra due particelle di materia ordinaria o tra due particelle di antimateria. Ma cosa succede quando la forza gravitazionale si applica a una particella di materia e alla sua anti-particella?

I cerchi rossi mostrano le annichilazioni delle antiparticelle all’aumentare della forza gravitazionale. Il loro spostamento verso l’alto, procedendo verso la destra del grafico, potrebbe essere un indizio dell’antigravità.
in foto: I cerchi rossi mostrano le annichilazioni delle antiparticelle all’aumentare della forza gravitazionale. Il loro spostamento verso l’alto, procedendo verso la destra del grafico, potrebbe essere un indizio dell’antigravità.

“Un’anti-mela cadrebbe sulla testa di un anti-Newton seduto su un’anti-Terra, esattamente nello stesso modo in cui è accaduto qui un po’ di tempo fa”, spiega Villata nel suo paper. “Ma cosa dire di un’anti-mela sulla Terra, o di una mela su un anti-pianeta?”. A suo dire, quando si applica una trasformazione CPT, ossia la classica trasformazione di una particella in un’antiparticella cambiando carica (C), coordinate spaziali (parità, P) e senso della freccia del tempo (T), le leggi di natura restano valide se la trasformazione avviene in un campo elettromagnetico, ma non se ciò avviene in un campo gravitazionale. In questo caso, viene fuori un comportamento diverso: una repulsione, anziché un’attrazione, di segno opposto rispetto alla forza esercitata dalla gravità. È come se l’antiparticella avesse, di fatto, una massa negativa. “Ma questo segno meno assegnato alla massa gravitazionale nell’equazione non dev’essere mal interpretato”, spiega Massimo Villata, “poiché tutte le masse sono e restano positive”. Il segno negativo viene fuori da una serie di trasformazioni CPT all’interno della teoria della relatività. Da qui, l’astrofisico assume – in linea con le ipotesi di altri studiosi della comunità internazionale – che la stessa relatività generale preveda che l’interazione gravitazionale tra materia e antimateria sia repulsiva e non attrattiva.

Su scala cosmologica, la repulsione gravitazionale impedirebbe la reciproca annichilazione di complessi isolati di materia e antimateria. Ciò spiegherebbe i vuoti su larga scala osservati nella distribuzione di cluster e supercluster di galassie nell’universo, su scale di decine di megaparsec. Tali vuoti potrebbero, come hanno sostenuto altri scienziati, essere stati originati da fluttuazioni negative nella densità dell’universo primordiale, che avrebbero agito come se avessero avuto di fatto una massa gravitazionale negativa, respingendo la materia circostante. “Questi nuovi scenari cosmologici permetterebbero di eliminare la scomoda presenza di un’energia oscura non identificata, e forse anche della materia oscura, che, secondo l’attuale modello lambda-CDM, rappresenterebbero insieme più del 95% del contenuto dell’universo”. A Media INAF, il notizionario online dell’Istituto Nazionale di Astrofisica, Villata spiega inoltre come i recenti risultati preliminari dell’esperimento ALPHA del Cern, che ha studiato il comportamento gravitazionale dell’antidrogeno, potrebbero essere consistenti con la teoria. “Nel grafico, i cerchietti rossi in pratica dipendono dalla posizione (media) dove vanno ad annichilarsi gli anti-atomi al passare del tempo, cioè man mano che la forza gravitazionale diventa più efficace”, spiega. “Sicuramente il vedere quei cerchietti tendere verso l’alto a destra nel grafico (che significherebbe repulsione gravitazionale) ha fatto fare un salto sulla sedia a qualunque scienziato”. Tuttavia, i dati sono ancora troppo pochi. Sarà necessario verificare lo scenario “all’aumentare dei dati e migliorando l’esperimento”, sostiene Villata, anche se da oggi la teoria dell’antigravità appartiene un po’ meno all’ambito della fantascienza.