Un fotone con un’energia eccezionale, proveniente dal lampo gamma più luminoso mai osservato, potrebbe offrire nuovi indizi sul comportamento dello spazio-tempo alle energie estreme. Uno studio pubblicato su Physical Review Letters e condotto da Giorgio Galanti dell’Inaf e Marco Roncadelli dell’Infn propone una spiegazione che combina particelle ipotetiche e possibili effetti della gravità quantistica.
Il mistero del fotone da 300 TeV
Al centro della ricerca c’è GRB 221009A, il lampo gamma osservato il 9 ottobre 2022 e soprannominato dagli astronomi “Boat”, acronimo di Brightest Of All Time, cioè “il più luminoso di sempre”.
L’esplosione, avvenuta a circa due miliardi di anni luce dalla Terra, ha prodotto un’enorme quantità di fotoni. Tra questi, uno ha attirato particolarmente l’attenzione degli scienziati.
Rilevato da Carpet, un esperimento dedicato ai raggi cosmici ad altissima energia presso l’Osservatorio del Baksan, nel Caucaso russo, il fotone possedeva un’energia di circa 300 teraelettronvolt (TeV). Si tratta della più alta mai registrata per un fotone associato a un lampo gamma.
Il problema è che, secondo i modelli fisici convenzionali, una particella con una simile energia non avrebbe dovuto riuscire ad attraversare una distanza tanto grande.
Perché il fotone avrebbe dovuto essere assorbito
Lo spazio intergalattico non è completamente vuoto. Durante il viaggio verso la Terra, un fotone di energia così elevata dovrebbe interagire con i fotoni della radiazione cosmica di fondo, il residuo elettromagnetico del Big Bang che permea l’Universo.
Queste interazioni possono portare alla produzione di altre particelle, impedendo al fotone originario di raggiungere il nostro pianeta. Eppure il segnale da 300 TeV è stato rilevato, ponendo un problema difficile da spiegare con la sola fisica standard.
Le particelle simili agli assioni non bastano
Una delle ipotesi considerate negli ultimi anni coinvolge le cosiddette Axion-Like Particles (Alp), particelle estremamente leggere la cui esistenza non è ancora stata dimostrata.
In determinate condizioni, i fotoni potrebbero trasformarsi temporaneamente in Alp durante il viaggio attraverso il cosmo e riconvertirsi successivamente in fotoni nei pressi della Via Lattea. Questo meccanismo può spiegare segnali con energie nell’ordine di alcune decine di TeV, ma secondo gli autori non è sufficiente per giustificare il caso estremo dei 300 TeV.
«Siamo partiti da una domanda molto semplice: come ha fatto questo fotone a sopravvivere a un viaggio che, secondo la fisica conosciuta, avrebbe dovuto distruggerlo?», spiega Galanti, ricercatore all’Inaf e primo autore dello studio. «I nuovi dati dell’esperimento Carpet ci hanno mostrato che le spiegazioni proposte finora non erano più sufficienti. Abbiamo quindi cercato uno scenario teorico capace di descrivere in modo coerente ciò che osserviamo, senza ricorrere a correzioni arbitrarie delle equazioni».
Una possibile violazione dell’invarianza di Lorentz
La nuova ricerca combina per la prima volta il meccanismo delle Alp con una possibile violazione dell’invarianza di Lorentz, uno dei principi fondamentali alla base della relatività speciale di Albert Einstein.
Secondo alcuni modelli di gravità quantistica, a energie estremamente elevate l’invarianza di Lorentz potrebbe subire piccolissime modifiche. Questi effetti cambierebbero il modo in cui i fotoni si propagano nello spazio.
Un Universo più trasparente alle energie estreme
Nel modello proposto da Galanti e Roncadelli, queste modifiche permetterebbero al fotone di evitare alcune delle interazioni che normalmente ne causerebbero l’assorbimento.
Alle energie più elevate, dunque, l’Universo potrebbe risultare più “trasparente” di quanto previsto dalla fisica standard. Non si tratterebbe di una modifica generale delle leggi conosciute, ma dell’emergere di nuovi fenomeni in condizioni energetiche eccezionali.
Il ritardo di circa un’ora rafforza l’ipotesi
Lo scenario teorico offre anche una seconda previsione verificabile. Secondo i calcoli, il fotone da 300 TeV dovrebbe essere arrivato sulla Terra circa un’ora dopo i fotoni meno energetici osservati dal Large High Altitude Air Shower Observatory (Lhaaso) in Cina.
È proprio un ritardo di questo tipo che risulta dalle osservazioni.
«L’aspetto più interessante del nostro lavoro è che unisce, per la prima volta, due idee sviluppate finora separatamente», aggiunge Roncadelli, ricercatore Infn e co-autore del lavoro. «Se questo scenario fosse confermato da future osservazioni, l’universo diventerebbe un laboratorio naturale per studiare la gravità quantistica a energie enormemente superiori a quelle raggiungibili da qualsiasi acceleratore costruito sulla Terra».
Nuovi test per la gravità quantistica
Il modello riesce quindi a fornire una spiegazione comune a due caratteristiche insolite: la sopravvivenza del fotone da 300 TeV durante il viaggio cosmico e il suo arrivo ritardato rispetto ai fotoni meno energetici.
Si tratta tuttavia di un’ipotesi teorica che richiederà ulteriori verifiche. Nuove osservazioni di lampi gamma e fotoni ad altissima energia potranno stabilire se fenomeni analoghi si ripetono e se rappresentano davvero una traccia della gravità quantistica.
Se confermati, questi risultati trasformerebbero eventi cosmici estremi come GRB 221009A in strumenti privilegiati per mettere alla prova la fisica fondamentale in condizioni impossibili da riprodurre negli acceleratori terrestri.
