La curiosità del mese a cura di Luigi Foschini
Una delle principali domande irrisolte dell’astrofisica contemporanea riguarda la natura della materia oscura.
Diverse osservazioni suggeriscono che nell’Universo ci sia più materia di quanta ne osserviamo e sono state avanzate molteplici ipotesi, nessuna delle quali ha ancora avuto un adeguato supporto da osservazioni o esperimenti, nonostante sia trascorso ormai quasi un secolo dalle prime ipotesi (Zwicky 1933, 1937; Rubin e Ford, 1970). Le ricerche si possono sommariamente dividere in due filoni: uno riguarda le modifiche alle teorie della gravitazione, che recentemente stanno avendo un discreto successo (si vedano, per esempio, i lavori dei nostri colleghi INAF dell’Osservatorio Astrofisico di Torino: Crosta et al. 2020, Beordo et al. 2024). L’altro filone, invece, si basa su esperimenti nei laboratori alla ricerca di materia esotica. Come si può vedere dalla Fig. 1, c’è un fiorire di teorie su particelle dai nomi fantasiosi, come WIMPzilla (Kolb et al. 1999), che sarebbe una Weakly Interacting Massive Particle (Particella Massiva Debolmente Interagente) grande come Godzilla! Oppure c’è l’assione, il cui nome fu inventato da Frank Wilczek nel 1978 prendendo a prestito la marca di un detersivo!
Oggi vorrei parlarvi di una delle tante proposte, che però sembra avere una base sperimentale, per quanto ancora incerta: il bosone X17. Prima di raccontarvi questa storia, però, è necessario fissare alcuni termini che verranno usati nel seguito. Non c’è nulla da temere, è una questione di linguaggio. Cercate di capire il quadro complessivo e non fissatevi sui dettagli, che richiederebbero troppo tempo per essere spiegati tutti e sarebbero comunque irrilevanti per la storia che vi racconto. Le particelle elementari si possono sommariamente dividere in due grandi categorie (Fig. 2): quelle che stanno bene insieme e quelle più asociali. Le prime sono chiamate bosoni, in onore del fisico indiano Satyendranath Bose che, con Albert Einstein, descrisse la statistica di queste paricelle (statistica di Bose-Einstein), ovvero le loro caratteristiche tipiche. Le paricelle asociali sono chiamate fermioni, in onore del fisico italiano Enrico Fermi che, con Paul Dirac, ne studiò la statistica (oggi chiamata di Fermi-Dirac). Esempi di fermioni sono i protoni, i neutroni, gli elettroni, mentre esempi di bosoni sono il fotone (il quanto di luce) e il celeberrimo bosone di Higgs. Mentre i fermioni sono i costituenti di base della materia (gli atomi sono composti da protoni, neutroni ed elettroni), i bosoni sono i mediatori delle quattro interazioni fondamentali (elettromagnetica, nucleare forte, nucleare debole, gravitazionale). Ovvero, dovendo parlare delle interazioni tra le particelle, i fisici hanno pensato di descriverle in questo modo: per esempio, un protone e un elettrone, che hanno carica elettrica opposta, si attraggono scambiandosi un fotone (dal greco phos, luce), che è il bosone mediatore dell’interazione elettromagnetica. Altro esempio: i protoni sono costituiti da altri fermioni chiamati quark, che stanno tutte insieme per formare il protone scambiandosi dei bosoni chiamati gluoni (dall’inglese glue, colla), che sono i mediatori dell’interazione nucleare forte. Potremmo dire che noi, come esseri umani, esistiamo in quanto composti da fermioni tenuti insieme da fotoni e gluoni. I fermioni sono asociali perché ci sono alcune configurazioni che ne proibiscono la vicinanza: per esempio, per il principio di esclusione di Pauli, non possono essere più di due elettroni nello stesso orbitale atomico. I bosoni, invece, non hanno problemi a stare vicini vicini e ci possono essere infiniti raggruppamenti di fotoni.
Avendo chiarito — spero — un po’ di nomenclatura, torniamo al nostro bosone X17. Si tratta di una scoperta abbastanza recente e ancora non confermata da osservazioni indipendenti. Nel 2016, un gruppo di ricercatori guidati da Attila J. Krasznahorkay dell’Istituto per la Ricerca Nucleare (ATOMKI, Ungheria), ha osservato una strana anomalia bombardando atomi di litio con dei protoni (Fig. 3).
Ci si aspettava che i protoni venissero catturati dal nucleo di litio trasformandolo in berillio in uno stato eccitato. Un nucleo atomico eccitato ha più energia di quanta ne dovrebbe avere e quindi deve dissiparne una parte. Questo può avvenire in due modi (Rose 1949): il primo consiste nell’emissione di un fotone, che se ha sufficiente energia può poi convertirsi in una coppia elettrone e positrone (il positrone è un elettrone di antimateria; per avere un’idea di cosa sia l’antimateria, di cui abbiamo parlato nell’Astrocuriosità di Aprile 2024, https://poefactory.brera.inaf.it/astrocuriosita-aprile-2024-il-grande-annichilatore/). Questa si chiama External Pair Conversion (EPC), cioè conversione di coppie esterna, perché avviene al di fuori del nucleo. In questo caso, la coppia di particelle prosegue nella direzione iniziale del fotone con un angolo reciproco molto piccolo che dipende dall’energia del fotone e, nel caso dell’esperimento ATOMKI sarebbe dell’ordine di pochi gradi. Il secondo modo è detto Internal Pair Conversion (IPC), conversione di coppie interna, perché avviene all’interno del nucleo. In questo caso, il fotone che genera la coppia è virtuale, cioè simboleggia l’energia che il nucleo deve dissipare e che si converte direttamente in una coppia elettrone-positrone. In questo caso, dato che il fotone virtuale non ha una direzione, l’angolo reciproco delle due particelle può assumere qualsiasi valore, che dipende dalle modalità di dissipazione di energia. Questo è quanto ci si aspetta dalla teoria del Modello Standard della Fisica.
Invece, quello che i ricercatori hanno osservato è stato un angolo molto grande, circa 140° (Fig. 4). Un angolo così grande ci dice che le particelle si sono disperse su direzioni quasi opposte (una perfetta opposizione sarebbe di 180°). Dovendo obbedire alle leggi di conservazione dell’energia e dell’impulso, bisogna che il bosone che le ha generate fosse più lento della luce, il che implica che ha una massa. Infatti, il fotone si muove sempre e solo alla velocità della luce (~300000 km/s), dato che non ha massa. Se il bosone misterioso è più lento del fotone, vuol dire che ha una massa. Quindi, l’anomalia sarebbe spiegabile in questo modo: il berillio eccitato decade generando un bosone intermedio che immediatamente (tempi dell’ordine di ~1E-14-1E^-12 secondi) si converte in una coppia elettrone-positrone che si disperde a grandi angoli. Nel modello standard non esiste un tale bosone, per cui gli si è dato il nome X17. La X è il classico simbolo di un’incognita, mentre il 17 si riferisce alla sua energia, che, secondo la celebre equazione di Einstein — E=mc^2 — darebbe anche la sua massa 17 MeV/c^2.
Poco dopo la pubblicazione del lavoro del gruppo di ATOMKI, Feng et al. (2016) hanno elaborato una teoria secondo la quale questo bosone X17 sarebbe il mediatore di una quinta interazione, anch’essa da tempo cercata e mai trovata. Secondo questa teoria, questo bosone sarebbe protofobico, cioè l’interazione con i protoni sarebbe soppressa, il che lo renderebbe un candidato per la materia oscura. Altri autori (Alves & Weiner 2018; Alves 2021; Liu et al. 2021) suggeriscono che potrebbe addirittura trattarsi del tanto cercato assione (sì, la particella detersivo!).
Il gruppo di ATOMKI ha continuato a perfezionare gli esperimenti, cambiando anche gli strumenti, le configurazioni, usando differenti elementi chimici, e i risultati divennero sempre più significativi, trovando che, oltre al berillio, anche l’elio e il carbonio generavano la stessa anomalia. Altri studiosi nel mondo hanno subito iniziato a predisporre esperimenti per osservare lo stesso effetto, ma i primi risultati sono stati insoddisfacenti. Nel 2017-2018, l’esperimento NA64 al CERN di Ginevra ha dato risultato negativo: niente bosone X17. Medesimo risultato negativo nel 2023 anche per l’esperimento MEG II (Muon Electron Gamma II) al Paul Scherrer Institut, sempre in Svizzera (Afanaciev et al. 2025, fig. 5). Altri studiosi (Aleksejevs et al. 2021) hanno suggerito che l’anomalia di ATOMKI possa essere un artefatto dovuto alla particolare configurazione dell’esperimento. Un timido segnale sembra invece emergere dall’esperimento PADME (Positron Annihilation into Dark Matter Experiment) dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) di Frascati, vicino a Roma (Bossi et al. 2025, fig. 5).
PADME sta proseguendo le misure e si spera di avere un miglioramento della statistica, mentre altri esperimenti sono in preparazione in diversi laboratori nel mondo (Canada, Francia, Italia, Svizzera, Repubblica Ceca, Australia). Nei prossimi anni vedremo se siamo di fronte a una nuova e inattesa fisica, oppure no.
![Fig 5 - Risultati degli esperimenti MEG II (Afanaciev et al. 2025) e PADME (Bossi et al. 2025). Anche in questo caso, non perdetevi nei dettagli, ma cercate di capire il quadro complessivo. Per quanto i simboli siano diversi, si sta presentando la misura di X17 in due modi differenti. Nel caso di MEGII, sull'asse delle ascisse è riportata la massa del bosone [m_X17] espressa in unità energia secondo l'equazione di Einstein [MeV/c^2]. Nel caso di PADME, si riporta invece l'energia del centro di massa [MeV] che ha generato le coppie, che è sempre quella di X17. L'asse delle ordinate, nel caso di MEG II, riporta il limite superiore (al 90% di confidenza) dedotto dalle misure per la produzione di X17 da diseccitazione degli stati a 17.6 (asse y di sinistra) e 18.1 MeV (a destra). Il pallino con la croce si riferisce alla misura di ATOMKI. Il fatto che la misura di ATOMKI sia sopra le curve ci dice che MEG II aveva sensibilità sufficiente per osservare X17, ma non ha trovato niente. Nel caso di PADME, l'asse y indica il rapporto tra le coppie generate e il rumore di fondo. Ci sono diverse componenti, ma quello che interessa è la linea continua verde coi pallini dello stesso colore, che corrisponde al segnale più rumore. Come si nota, i dati suggeriscono qualcosa, ma ancora poco significativo, un po' sepolto nel rumore di fondo. Occorrono più dati per vedere se il segnale si alza sopra il rumore o no.](https://poefactory.brera.inaf.it/wp-content/uploads/2026/05/figura_5.jpg)