Il fotone che ha raggiunto la Terra, sfidando Einstein

Può un evento avverso, o meglio ancora anomalo, confutare una teoria basata su un modello ritenuto corretto? La risposta è “probabilmente no”. Tuttavia, l’anomalia, con la licenza di usare questo termine, in realtà permette di iniziare un percorso di verifica che semmai è finalizzato al completamento di una teoria o un modello fisico e non alla sua confutazione. È infatti questo il lascito di un fotone arrivato sulla Terra nell’ottobre del 2022, che per la fisica ad oggi conosciuta non sarebbe mai dovuto arrivare. E che invece, dopo oltre due miliardi di anni luce di viaggio, è stato intercettato da rivelatori terrestri. A questo “quanto” è stata attribuita dagli strumenti un’energia di circa 300 teraelettronvolt, che è un’enormità per una singola particella di luce. Fatti e valori che hanno messo “tensione” fra loro le due grandi teorie del Novecento su cui si basa la fisica moderna: la relatività generale e la meccanica quantistica. Come se ci fosse una “smagliatura” nell’Universo ad evidenziarla.

L’enigma scientifico ha una sua data di genesi precisa: 9 ottobre 2022, quando viene rilevato GRB 221009A, un lampo gamma talmente luminoso da meritarsi il soprannome Boat, Brightest Of All Time. Ma cosa sono i gamma-ray burst? Sono eventi energetici dell’Universo, delle esplosioni cosmiche in grado – per frazioni di tempo molto brevi – di liberare quantità enormi di energia. Basti dire che quello osservato quattro anni fa proveniva da una distanza dalla Terra di oltre due miliardi di anni luce. E fra le particelle arrivate fino qui da noi ce n’era però una decisamente fuori scala. È stata battezzata Carpet e catturata da un’apposita strumentazione, inquadrata in un esperimento molto sofisticato in corso all’Osservatorio di Baksan, nel Caucaso. A Carpet gli scienziati avevano inizialmente stimato un’energia associata intorno ai 251 TeV. Poi un successivo riconteggio dei dati ha portato quella energia a circa 300 TeV, con un’incertezza di +43 e -38 TeV. In pratica, è risultato il fotone di energia più elevata associato a un lampo gamma preso in considerazione finora.

Un fatto che ha stupito parecchio gli studiosi che hanno provato a ripercorre il “cammino” compiuto dal fotone, dal punto di genesi alla Terra, fin qui da noi. Il primo assunto fatto è che lo spazio non è vuoto. Infatti, tra una galassia e l’altra esistono campi di radiazione e soprattutto il fondo cosmico a microonde, la luce fossile rimasta dal Big Bang. Un fotone gamma tanto energetico, attraversando una distanza cosmologica, dovrebbe interagire con quei fotoni di fondo. Energia che incontra energia e che dopo la collisione può trasformarsi in materia. Per i modelli convenzionali, dunque, un fotone di 300 TeV proveniente da quella distanza avrebbe possibilità estremamente ridotte di arrivare fino a noi “sano e salvo”. Eppure, è arrivato ed è questo l’enigma: come ha fatto?

È da questa anomalia che Giorgio Galanti (Istituto Nazionale di Astrofisica) e Marco Roncadelli (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), sono partiti per uno studio accurato su quanto è successo, i cui risultati sono stati pubblicati l’8 settembre su Physical Review Letters. L’aspetto interessante del loro lavoro non è stato il voler confutare in qualche modo la teoria di Einstein, semmai il verificare il che cosa potrebbe accadere se, alle energie più estreme, una delle simmetrie fondamentali della relatività speciale non fosse esattamente quella che osserviamo nel nostro mondo quotidiano. Ovvero, l’invarianza di Lorentz. Sulla Terra, tuttavia, non possediamo acceleratori capaci di raggiungere direttamente le scale energetiche alle quali ci aspettiamo possano manifestarsi gli effetti della gravità quantistica, tuttavia possiamo sfruttare lo stesso Universo come nostro laboratorio.

Galanti e Roncadelli hanno provato così a osservare insieme e non separate due possibilità che si riferiscono una alla relatività, l’altra alla fisica quantistica. Per esempio, le Axion-Like Particles, o Alp, particelle ipotetiche leggerissime nelle quali, in presenza di campi magnetici, un fotone potrebbe trasformarsi e successivamente ritornare fotone, che indicherebbe una specie di mascheramento cosmico, che spiegherebbe, almeno in parte la sopravvivenza del quanto a 300 TeV. Entra allora in gioco una la seconda ipotesi, che a questo punto si miscela con la prima: una possibile violazione dell’invarianza di Lorentz. E il lavoro degli scienziati mostra appunto che determinati scenari di questo tipo sono compatibili con l’evento osservato. Poi c’è un secondo indizio che si aggiunge alla “trasparenza” anomala dell’Universo, a quella “smagliatura”. Il ritardo con qui è stato rilevato Carpet, dopo il lampo gamma, rispetto a fotoni meno energetici, quando avrebbe dovuto essere il contrario. Certo gli indizi non sono una prova, ma sicuramente un invito a proseguire un’indagine scientifica che coinvolge due teorie per ora distanti, ma che si suppone possano un giorno essere messe insieme. Non qualcosa che non torna, ma un modo per allargare ancora il campo di verifica e di comprensione.