Anche i fotoni potrebbero avere massa a riposo

Rappresentazione artistica del decadimento di un fotone. (Crediti: Robert Spriggs)

I fotoni sono i quanti di radiazione elettromagnetica. Una convinzione comune è che non abbiano massa a riposo ma ciò non basta ad escludere che possano, prima o poi, decadere in altri tipi di particelle. Infatti, se i fotoni avessero una massa a riposo, allora potrebbero decadere, in media, dopo un miliardo di miliardi di anni. Questo spiegherebbe perché anche nella CMB (la radiazione cosmica di fondo), che risale a circa 13,8 miliardi di anni fa, si trovano solo debolissimi indizi a sostegno di un possibile decadimento. 

Massa e decadimento sono, in certo modo, concetti complementari. Detto in modo banale, se una particella non ha massa non c’è nulla di più leggero in cui possa decadere. Per quanto riguarda il fotone, la teoria in realtà non esclude la possibilità che abbia una massa a riposo, anche se una serie di prove sperimentali esclude che abbia una massa superiore a 10 alla -18 elettronvolt, o a 10 alla -54 chilogrammi. Uno studio effettuato da Julian Heeck del Max-Planck-Institut per la fisica nucleare a Heidelberg, che in un articolo pubblicato questa estate sulla rivista  Physical Review Letters spiega in che modo i fotoni abbiano massa e, di conseguenza, prima o poi decadano in particelle più leggere – come i neutrini e gli antineutrini. C’è però un problema: se questo è vero, è anche possibile che i fotoni decadano in particelle in grado di andare più veloci della luce.

a full-sky map from Planck showing matter between Earth and the edge of the observable universe.

L’ipotesi che i fotoni abbiano una massa e una vita limitata non è stata mai approfondita almeno per un motivo: gli astronomi osservano quanti di radiazione elettromagnetica provenienti da oggetti cosmici distanti miliardi di anni di anni luce senza mai aver rilevato nulla che possa far supporre ad un simile evento. Per cercare indizi di questo possibile decadimento, Julian Heek ha esaminato i dati relativi alla radiazione cosmica di fondo a microonde, un residuo del Big Bang che risale a quando l’Universo era molto giovane e aveva appena 380.000 anni. Gli indizi di possibili decadimenti sono davvero pochi.

D’altronde è risaputo: i fotoni sono stati al centro di gradi rivoluzioni in fisica ma le loro caratteristiche sono ancora un puzzle in parte irrisolto. Basandosi sul Modello Standard delle particelle elementari, Julian Heeck ha calcolato i limiti teorici di durata del fotone: il limite inferiore della sua vita deve essere di almeno tre anni. Un valore estremamente ridotto; c’è da dire che, se i fotoni avessero una massa, dovremmo essere circondati da fenomeni che suggeriscono il loro decadimento. Ma non è così. Come mai? Perché quei tre anni sono calcolati nel sistema di riferimento del fotone, che viaggia a velocità relativistiche, ovvero a quelle della luce, appunto.

I fotoni dovrebbero decadere in particelle più leggere e più veloci: “c’è una sola particella sappiamo dal Modello Standard della fisica delle particelle che potrebbero essere ancora più leggeri; il più leggero dei tre tipi di neutrini”, ha detto Julian Heeck. L’idea che alcuni neutrini possano viaggiare più veloce della luce sembra violare una requisito base della Relatività. Ma se si accetta che il fotone ha quasi massa nulla, questa ipotesi è compatibile con la Relatività che afferma che nessuna particella avente massa può viaggiare più veloce di una particella a massa nulla. Per la teoria della Relatività questo significa che l’orologio di quel fotone scorre molto più lentamente degli orologi di altri sistemi di riferimento: a quei tre anni del sistema di riferimento del fotone corrispondo infatti circa un miliardo di miliardi di anni (10 alla 18 anni) nel nostro sistema di riferimento.

Considerato che l’universo ha 13,8 miliardi di anni, non stupisce che gli indizi del possibile decadimento dei fotoni siano così rari. Sarebbe una bella fortuna trovare un decadimento attribuibile ad un fotone; ciò potrebbe accadere solo perché, nel numero incredibilmente alto di fotoni che viaggiano nell’universo, a uno di quelli relegati agli estremi della coda statistica dei tempi medi di decadimento può capitare di avere una vita tanto più breve della media. La questione della possibile massa e del decadimento del fotone resta ancora aperta.

Fonte: http://www.livescience.com/38533-photons-may-emit-faster-than-light-particles.html.

(Pubblicato originariamente su cyberscienza.it il 30/07/2013).

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