Anomalia nelle Transizioni Isotopiche del Calcio Suggerisce una Potenziale Quinta Forza

La gravità, una delle quattro interazioni fondamentali della natura, governa l'ancoraggio terrestre, ma il Modello Standard della fisica, pur essendo un pilastro scientifico, è ritenuto incompleto, in particolare per la sua incapacità di spiegare la materia oscura. In questo contesto di ricerca di nuove frontiere, l'esistenza di una quinta forza è un'area di indagine, con indizi emergenti da lavori internazionali pubblicati nel 2025 su Physical Review Letters.

Le indagini si sono concentrate sulle transizioni atomiche degli isotopi del calcio, un processo che coinvolge l'assorbimento di energia da parte degli elettroni prima del loro ritorno allo stato iniziale con emissione di energia. La natura di queste transizioni è intrinsecamente legata alla struttura nucleare dell'atomo, specificamente al conteggio dei neutroni. Il Modello Standard predice che la differenza di transizione tra gli isotopi di calcio—Ca-40, Ca-42, Ca-44, Ca-46 e Ca-48—debba seguire una relazione lineare se rappresentata su un diagramma noto come "King plot".

I ricercatori hanno misurato meticolosamente queste transizioni attraverso i cinque isotopi di calcio, con un numero di neutroni che varia da 20 a 28, e hanno rilevato una lieve deviazione non lineare da questa previsione teorica. Sebbene tale discrepanza possa derivare da effetti noti non ancora integrati nei calcoli attuali, i fisici la interpretano come un primo segnale a favore di una debole forza aggiuntiva che agirebbe tra elettroni e neutroni. Questa ipotetica interazione sarebbe mediata da una particella, denominata bosone di Yukawa, e la ricerca del 2025 ha stabilito il vincolo più stringente fino ad oggi sulla possibile massa e intensità di questa particella mediatrice, con stime di massa comprese tra circa 10 e 10 milioni di elettronvolt (eV/c²).

Il lavoro di alta precisione, che sfrutta la spettroscopia di spostamento isotopico, è stato condotto da una collaborazione internazionale che include scienziati provenienti da Germania, Svizzera e Australia, con gruppi di ricerca come quelli associati a QuantumFrontiers e DQ-mat. La sensibilità dell'esperimento ha rivelato una non linearità nel King plot con una significatività di circa 103σ. Questa metodologia di indagine, basata su misurazioni atomiche di precisione anziché su acceleratori di particelle, offre un approccio innovativo per sondare la struttura nascosta dell'universo.

Per consolidare o confutare questi segnali di nuova fisica, il team internazionale sta affinando la ricerca all'inizio del 2026, misurando attualmente una terza transizione energetica sugli stessi isotopi di calcio. L'obiettivo è costruire una versione tridimensionale del King plot, un passo cruciale per determinare con maggiore certezza la natura di questa anomalia. Partecipano a questo sforzo anche figure accademiche come José-Philippe Pérez, Professore Emerito presso l'Université Paul Sabatier di Tolosa e ricercatore presso l'IRAP-CNRS. Le misurazioni effettuate sugli ioni di calcio intrappolati in trappole ioniche hanno permesso di stabilire i limiti superiori per la forza e la massa del bosone mediatore, fornendo dati essenziali per la fisica teorica.