Il concetto di gravità repulsiva non è molto popolare tra i fisici anche se molte teorie alternative alla relatività generale prevedono l’esistenza di componenti repulsive del campo gravitazionale. Oggi, però, in uno studio pubblicato sulla storica rivista Annalen der Physik, Massimo Villata dell’INAF – Osservatorio Astrofisico di Torino introduce una nuova interpretazione dello spaziotempo attorno a un buco nero ruotante o di Kerr dove l’interazione gravitazionale tra materia e antimateria sarebbe naturalmente repulsiva. Una conseguenza di ciò è che le particelle che attraversano la “gola” del buco nero emergono come antiparticelle e viceversa. Questi risultati, che certamente dovranno essere verificati dagli esperimenti condotti al CERN sul comportamento gravitazionale dell’antimateria, potrebbero far luce sui grandi misteri della fisica moderna, quali l’energia oscura, la materia oscura e l’asimmetria barionica.
Illustrazione di un buco nero ruotante o di Kerr.
Quasi un secolo fa, Karl Schwarzschild trovò la prima soluzione esatta delle equazioni di campo, poche settimane dopo la pubblicazione della teoria della relatività generale. Questa soluzione descrive la geometria dello spaziotempo vuoto attorno ad un corpo non carico, a simmetria sferica e non ruotante. La generalizzazione al caso di una sorgente carica venne trovata in poco tempo ma furono necessari quasi 50 anni prima che Roy Kerr ricavasse la soluzione esatta per un oggetto ruotante a simmetria assiale. L’estensione al caso di un oggetto carico, cioè la soluzione Kerr-Newman, seguì immediatamente dopo. Nel corso del tempo, si ebbero tutta una serie di contributi mirati allo studio della geometria dello spaziotempo di Kerr in relazione all’esistenza di una regione dello spazio in cui le coordinate cartesiane possono assumere valori negativi della distanza. Ora, questa scelta arbitraria può apparire alquanto imbarazzante perché non è immediato spiegare che senso fisico può avere questa regione dello spazio. Infatti, spesso essa viene considerata come una sorta di “altro universo” ma non c’è alcun indizio noto della sua esistenza. Dunque, nel suo articolo Villata tenta di esplorare le proprietà di questa regione “negativa” dello spazio, cercando di dare una interpretazione fisica, identificandola possibilmente con qualcosa di più familiare.
Tornando al nostro caso, una delle conseguenze che emerge da questo studio è che una particella carica, come un elettrone, che si muove in questa regione dello spazio sentirà un campo elettromagnetico invertito rispetto alla stessa particella che si muove nella regione dello spazio con valori positivi della distanza, un po’ come se essa fosse la sua antiparticella, cioè un positrone. In altre parole, l’esistenza di una regione “negativa” dello spaziotempo di Kerr rappresenterebbe l’habitat naturale dell’antimateria. Ma che succede nel caso dell’interazione gravitazionale relativa a queste particelle di antimateria (non importa se cariche oppure no)? Se nella regione dello spazio con coordinate cartesiane negative la gravità diventa repulsiva, almeno per valori grandi della distanza, allora avremo valori negativi della massa delle particelle e il campo gravitazionale risulterà invertito. Tutto questo, secondo l’autore, sembra essere consistente con il fatto che nell’ipotesi in base alla quale l’antimateria viene trasformata in materia per coniugazione CPT (carica, parità e tempo), necessariamente l’interazione gravitazionale tra materia e antimateria dovrà essere repulsiva. In altre parole, una particella nella regione “negativa” dello spazio di Kerr può essere interpretata come la sua antiparticella dello spazio ordinario che viene trasformata per coniugazione di carica C. Per soddisfare poi pienamente l’assunzione CPT che garantisca una gravità repulsiva, lo spaziotempo deve essere invertito là dove “vive” l’antimateria. Ad ogni modo, questa ipotesi dovrà essere avallata da una formulazione che preveda che la teoria CPT e il campo gravitazionale siano correlati in qualche modo.
Un’altra conseguenza che emerge da questo lavoro è che una particella che cade verso un buco nero, una volta superato l’orizzonte degli eventi, non è persa completamente. In realtà essa emergerà come la sua antiparticella senza subire alcuna trasformazione intrinseca delle sue proprietà ma acquisendo una prospettiva diversa ed invertita del mondo esterno. Quindi nella parte di Universo dominato dalla materia, così come lo conosciamo, dove si possono formare buchi neri ruotanti di materia e dove l’antimateria è sostanzialmente assente, questi oggetti (cioè i buchi neri) possono assumere la funzione di “fabbriche di antimateria”. Questo meccanismo potrebbe giocare un ruolo importante nell’incrementare la frazione di positroni a livelli di energia che possono essere chiaramente rivelati dell’esperimento AMS a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, confermando così alcuni risultati precedenti ottenuti da Fermi-LAT, PAMELA e da altri esperimenti. Di nuovo, il meccanismo sarebbe molto “economico” perchè non prevederebbe nessuna materia o energia oscure. Tali componenti sarebbero “identificabili” considerando le particelle del modello standard e la fisica della gravitazione.
Questa nuova interpretazione dello spaziotempo di Kerr attorno a un buco nero ruotante in termini di materia e antimateria emerge, secondo Villata, in maniera quasi naturale al punto che sembra molto strano che non sia stata proposta prima. Forse, la ragione principale è dovuta al fatto che la maggior parte dei teorici ha sempre creduto che la gravità possa essere solo attrattiva mentre il concetto di gravità repulsiva tra materia e antimateria appare piuttosto impopolare essendo stato scartato da una serie di argomentazioni teoriche, anche se poi sono state criticate e ora sembrano poco convincenti, apparendo solo come pregiudizi. Ora, invece, si è di fronte a due sviluppi indipendenti della relatività generale, la metrica di Kerr e la teoria della gravità CPT, che predicono entrambe, se combinate, la repulsione gravitazionale in perfetta consistenza tra loro. Si spera così che entro pochi anni gli esperimenti del CERN potranno fornire una risposta definitiva sul comportamento gravitazionale dell’antimateria.
Se poi la gravità repulsiva tra materia-antimateria sarà confermata, una scoperta del genere potrebbe rappresentare certamente una conquista storica piena di conseguenze. Ad esempio, così come è stato sottolineato da diversi autori, e come detto sopra, essa potrebbe spiegare i grandi misteri della fisica moderna quali l’energia oscura, la materia oscura e l’assenza di antimateria. Di fatto, la formulazione convenzionale della teoria di Einstein viene meno quando si devono interpretare alcune osservazioni astrofisiche e cosmologiche, come le curve di rotazione galattiche, il lensing gravitazionale degli ammassi di galassie e il tasso di espansione dell’Universo. Di fatto, l’esistenza delle componenti oscure è stata introdotta proprio per spiegare queste inconsistenze, anche se le misure dirette della materia oscura sono state finora alquanto elusive e il valore misurato dell’energia oscura risulta 10120 volte più piccolo rispetto al valore atteso, un fatto che rappresenta la discrepanza più grande e più imbarazzante della fisica moderna.
D’altra parte, sono stati sviluppati alcuni modelli che implicano effetti di gravità repulsiva per spiegare i dati osservativi senza tener conto della materia oscura e dell’energia oscura. In altre parole, basta “estendere” le possibili dinamiche della relatività generale per ottenere gli stessi effetti di “massa mancante” (materia oscura) ed espansione accelerata (energia oscura). Infatti, un modo di tener conto di queste discrepanze è proprio quello di assumere che l’interazione gravitazionale materia-antimateria sia repulsiva, il che sembra essere consistente con la relatività generale nell’ipotesi secondo cui esista una regione “negativa” dello spaziotempo attorno a un buco nero di Kerr dove “vive” l’antimateria. Alcuni modelli cosmologici che si basano su questa assunzione permettono di descrivere consistentemente i dati osservativi delle supernovae Ia senza richiedere la presenza di una costante cosmologica. In questo scenario, l’Universo assumerebbe una perfetta simmetria tra materia e antimateria, che sarebbero tenute separate dalla loro repulsione gravitazionale, un fatto che permetterebbe di spiegare l’espansione cosmica accelerata risolvendo contemporaneamente anche il problema dell’assenza di antimateria. Inoltre, le coppie virtuali particelle-antiparticelle, che emergono nel vuoto quantistico, sarebbero considerate dei dipoli gravitazionali. Ciò porterebbe ad una situazione dinamica simile a quella newtoniana modificata che descrive bene le curve di rotazione galattiche senza la necessità di introdurre la materia oscura. In questo caso, però, la natura del campo gravitazionale non sarebbe puramente di tipo tensoriale ma potrebbe avere altri “modi” di tipo scalare che spiegherebbero il fenomeno.
Queste argomentazioni sono supportate in qualche modo da un altro campo di ricerca che riguarda la misura dell’interazione gravitazionale sull’antidrogeno, così come viene riportato da un articolo complementare a firma di Thomas Phillips dell’Illinois Institute of Technolgy di Chicago apparso su Nature Physics. Così come riporta l’autore, gli ultimi risultati pubblicati su Nature Communications dalla collaborazione ALPHA hanno permesso di porre un limite al valore della carica elettrica dell’antidrogeno. Nonostante questi risultati siano consistenti con quanto ci aspettiamo, ci si chiede come mai è necessario condurre degli esperimenti così complicati? Intanto, qualsiasi deviazione rappresenterebbe una scoperta fondamentale che potrebbe cambiare in maniera radicale la nostra comprensione della fisica. Ma il motivo principale è dovuto al fatto che sebbene la nostra esistenza dipenda dall’assenza di antimateria, l’unica asimmetria che conosciamo, e cioè la violazione della simmetria CP (carica e parità), risulta troppo piccola di molti ordini di grandezza per aver generato un Universo dominato dalla materia, che è poi quello che osserviamo.
Nonostante sia noto che la simmetria CP possa essere violata, se invertiamo anche il tempo T otteniamo la simmetria CPT che è stata rigorosamente verificata nell’ambito delle teorie quantistiche di campo. Dato che queste teorie formano la base della fisica delle particelle, trovare una violazione della simmetria CPT significherebbe che almeno una delle nostre assunzioni fondamentali su come funziona l’Universo non è corretta. Tuttavia, tale violazione della simmetria CPT non è stata ancora osservata perciò lo studio dell’antidrogeno ha quel potenziale di fornire ai fisici un test estremamente preciso della simmetria CPT.
C’è da dire, però, che se da un lato la scoperta della violazione della simmetria CPT cambierebbe certamente il nostro modo di comprendere la fisica, dall’altro un tale risultato solleverebbe più domande che risposte. Perciò, nell’ambito della ricerca sull’antimateria, la prima misura diretta dell’interazione gravitazionale tra materia e antimateria rappresenta, mai come prima, un obiettivo prioritario che viene perseguito non solo dall’esperimento ALPHA ma anche da altre collaborazioni di fisici presenti al CERN.
«Se l’ipotesi della gravità repulsiva fosse confermata, non occorrerebbe considerare particelle esotiche oltre il modello standard, per spiegare le cosiddette componenti oscure che troverebbero la loro giustificazione tramite il campo gravitazionale e l’antimateria», spiega a Media INAF Salvatore Capozziello, INFN – Università di Napoli “Federico II” e Presidente della Società Italiana di Relatività Generale e Fisica della Gravitazione. «Nel caso dello spaziotempo di Kerr, è il caso di dire che tali zone a distanza negative (e anche a tempo immaginario) sono pienamente in accordo con la geometrodinamica così come prevista dalla relatività generale. In ogni caso, sono spesso state considerate alla stregua di curiosità matematiche, ben lontane dallo spazio tempo fisico. E’ famosa la soluzione di Goedel che ottenne una metrica a simmetria cilindrica dove il tempo è circolare. E’ ben noto l’aneddoto per il quale Goedel ‘regalo’ ad Einstein questa soluzione per il suo settantesimo compleanno. Per quanto riguarda l’eventuale correlazione tra la teoria CPT e il campo gravitazionale, dovremmo capire se esistono altri gradi di libertà del campo gravitazionale che possano essere riletti dal punto di vista dell’invarianza CPT. Questo è ben difficile, assumendo la pura relatività generale, poiché in tale teoria l’interazione tra materia ordinaria e gravità è minimale. In questo senso, l’esistenza sperimentale di gravità negative potrebbe essere riletta come una ‘estensione’ della relatività generale. Va detto anche che il teorema CPT non è stato formulato considerando effetti gravitazionali, quindi questo aprirebbe nuove possibilità».
Insomma una ipotesi “alternativa” in contrasto con l’attuale modello cosmologico standard poiché eliminerebbe la necessità di ricorrere alle componenti oscure, che dovrà essere verificata sperimentalmente soprattutto in termini del comportamento gravitazionale dell’antimateria.
Annalen der Physik: Massimo Villata – The matter-antimatter interpretation of Kerr spacetime
Nature Physics: Thomas J. Phillips – Antimatter: Out of the darkness