Un fotone che sfida le leggi della fisica

Un fotone di 300 teraelettronvolt (TeV), osservato durante un lampo gamma avvenuto a circa due miliardi di anni luce dalla Terra, ha messo in crisi le leggi della fisica conosciuta. Il fenomeno, registrato il 9 ottobre 2022 e analizzato da un team di ricercatori dell’Inaf e dell’Infn, suggerisce che la relatività di Einstein potrebbe non essere sufficiente a spiegare l’arrivo di una particella così energetica. Secondo i dati, il fotone non avrebbe dovuto sopravvivere a un viaggio di due miliardi di anni luce, interagendo con la radiazione cosmica di fondo e scomparendo prima di raggiungere la Terra. Eppure è arrivato, sfidando le previsioni attuali.

Un modello teorico che unisce due idee

Il team ha proposto un nuovo scenario che combina il concetto di particelle ipotetiche chiamate Alp con una possibile violazione dell’invarianza di Lorentz, una proprietà fondamentale della relatività speciale. Secondo il modello, i fotoni potrebbero trasformarsi in Alp durante il loro viaggio, evitando le interazioni che ne avrebbero causato la distruzione. Questo meccanismo, se confermato, potrebbe spiegare non solo la sopravvivenza del fotone, ma anche il suo ritardo rispetto a quelli di energia inferiore, osservato dall’osservatorio cinese Lhaaso. Secondo i calcoli, il fotone da 300 TeV dovrebbe raggiungere la Terra circa un’ora dopo quelli meno energetici. E questo è esattamente ciò che è stato osservato. Il modello non solo spiega il fenomeno, ma apre nuove possibilità per studiare la gravità quantistica a energie mai raggiunte in laboratorio. Tuttavia, saranno necessarie nuove osservazioni per confermare la teoria.

Un risultato che rafforza la teoria

Il lavoro, pubblicato su Physical Review Letters, rappresenta un passo avanti nella comprensione delle leggi fondamentali dell’universo. Se il modello dovesse essere confermato, potrebbe rivoluzionare la fisica moderna, mostrando che le leggi della relatività potrebbero non essere universali in tutti i contesti. Per ora, il fotone di 300 TeV rimane un enigma, ma la sua esistenza ha spinto i ricercatori a cercare nuove spiegazioni, che potrebbero portare a una comprensione più profonda del nostro universo.

Il lampo gamma, soprannominato “Boat”, ha emesso un’enorme pioggia di fotoni, tra cui uno con energia record. Secondo la fisica attuale, un fotone di questa energia non avrebbe dovuto sopravvivere al viaggio attraverso l’universo. L’universo non è completamente vuoto, e i fotoni della radiazione cosmica di fondo avrebbero dovuto interagire con il fotone, trasformandolo in altre particelle e causandone la scomparsa. Ma il fotone è arrivato fino a noi, sfidando le previsioni attuali. Il team ha quindi cercato uno scenario teorico capace di descrivere in modo coerente ciò che osservano, senza ricorrere a correzioni arbitrarie delle equazioni.

Il nuovo studio propone una spiegazione che unisce due idee finora separate: il meccanismo delle Alp e una possibile violazione dell’invarianza di Lorentz. Secondo alcuni modelli di gravità quantistica, alle energie più estreme questa proprietà potrebbe modificarsi leggermente, cambiando il modo in cui i fotoni si propagano nello spazio. In questo scenario, il fotone riesce a evitare le interazioni che, secondo la fisica standard, lo avrebbero distrutto durante il viaggio. L’universo diventa quindi, per queste energie eccezionali, molto più “trasparente”, permettendo alla particella di raggiungere la Terra.