Un’ipotetica particella avvicina la cosmologia alla fisica delle particelle elementari: si chiama monopolo magnetico e vederla sarebbe la gioia di molti fisici. Da una parte coloro che studiano l’evoluzione dell’universo secondo la teoria del Big Bang e dall’altra chi cerca le prove di una teoria unificata per descrivere tutte le forze che intervengono tra le particelle.
Ma i continui sforzi compiuti nel tentativo di produrre monopoli, cioè cariche magnetiche singole, facendo scontrare altre particelle negli acceleratori, sembrano essere vani. E questo è il senso della frase “assenza di evidenza” con cui la rivista inglese The Economist riassume i risultati delle ricerche condotte presso l’Università della California a Berkeley dal fisico Yudong He e dai suoi collaboratori. Esito negativo hanno dato infatti cinque anni di scontri tra ioni pesanti, cioè atomi che hanno perso o acquistato un elettrone, con i quali si sperava di produrre i monopoli classici previsti già dal fisico Dirac e mai osservati.
Stabilire che i monopoli non esistono sarebbe altrettanto importante che scoprirli. Ma non è questa la conclusione che si può trarre dalla lettura di questi risultati. E ciò appare chiaro dall’articolo originale, pubblicato dal gruppo di He sulla rivista Physical Review Letters, in cui viene posto soltanto un limite inferiore all’energia necessaria a produrre questi oggetti. Il risultato non è quindi in sé particolarmente esaltante, ma offre lo spunto per cercare di capire le motivazioni che spingono gli scienziati a continuare le ricerche.
L’idea del monopolo magnetico nasce, come spesso succede in fisica, per un’esigenza estetica di simmetria nell’elettromagnetismo. Poiché esiste la carica elettrica, cioè l’elettrone che genera il campo elettromagnetico, allora dovrebbe esistere anche la singola carica magnetica. Ma se si prende un magnete naturale non è possibile separare il polo positivo da quello negativo. In qualunque modo si cerchi di spezzare una calamita, anche dividendola in parti sempre più piccole, fino a raggiungere dimensioni atomiche, questa presenterà sempre due polarità. Così, si scopre che gli stessi atomi sono dei dipoli magnetici che presentano un polo positivo e uno negativo se immersi in un campo magnetico.
Fu Dirac a formalizzare teoricamente l’idea di una particella con carica magnetica che, non solo rendeva perfettamente simmetriche le equazioni di Maxwell (che descrivono i fenomeni elettromagnetici), ma giustificava perché la carica elettrica fosse quantizzata. Un tale oggetto doveva avere una carica magnetica pari a circa 68 volte la carica elettrica ed essere per questo facilmente riconoscibile. Se infatti una carica elettrica in movimento produce un campo magnetico, un campo elettrico sarà generato da una carica magnetica accelerata. Con opportune spire superconduttrici è possibile misurare la corrente indotta da questo campo e risalire così alla particella che l’ha generato, il monopolo appunto.
Già a partire dagli anni Cinquanta, molti degli acceleratori di particelle ospitarono esperimenti che tentavano di produrre monopoli. Non solo. Poiché questi oggetti possono essere intrappolati da un materiale magnetico, i monopoli vennero cercati anche nei meteoriti e sulla Luna. Ma fino a oggi, nonostante la possibilità di raggiungere energie sempre maggiori, acceleratori come il Fermilab di Chicago, il Pep di Stanford, o il Lep del Cern, non sono riusciti a creare e osservare una carica magnetica.
Il contesto si è ampliato e complicato quando, negli anni Settanta, l’esistenza dei monopoli fu legata ai modelli che spiegano l’evoluzione dell’universo e alla teoria del Big Bang. E’ a questo punto che la possibilità di osservare queste cariche magnetiche ha cominciato ad attrarre anche i cosmologi. Una nuova prospettiva fu fornita dalle teorie di grande unificazione (le cosiddette Gut), e dalle teorie supersimmetriche. Secondo queste teorie, una sola forza sarebbe all’origine di tutte le interazioni possibili tra le particelle, anche se ci appare separata nelle quattro interazioni fondamentali: la forza forte, quella debole, quella elettromagnetica e quella gravitazionale. Il problema è che una tale unificazione è teoricamente possibile solo ad altissima energia, dell’ordine di quella caratteristica dei primi istanti di vita dell’universo.
Secondo la teoria del Big Bang, dopo l’esplosione iniziale l’universo era piccolissimo, molto denso e caldissimo, e ogni particella si allontanava dalle altre. Questa espansione lo faceva gradualmente raffreddare, causando successive transizioni e rotture di simmetria. Per meglio comprendere il fenomeno, possiamo immaginare la superficie di un lago che, per un abbassamento di temperatura, cominci a solidificare. In questo caso avviene quella che si chiama una transizione di fase, cioè un passaggio tra due stati: da quello liquido a quello solido. Se il liquido può essere descritto da leggi fisiche simmetriche rispetto alla rotazione, quando congela e forma un cristallo, questa simmetria si rompe spontaneamente. Inoltre, regioni diverse del lago solidificano indipendentemente, e nelle zone di confine si formano dei mucchietti di ghiaccio. Sarebbero proprio questi agglomerati a rappresentare, nella metafora del lago, i monopoli.
E’ in una simile transizione di fase, infatti, e precisamente in quella che ha portato alla separazione tra la forza forte e quella elettrodebole che, secondo i fisici teorici, si sono creati i monopoli magnetici. Queste particelle primordiali potrebbero essere sopravvissute fino a oggi: in questo senso la loro esistenza è legata alla cosmologia. Scoprirli ora equivarrebbe ad andare indietro nel tempo per guardare da vicino i primi istanti di vita dell’universo, ancora così pieni di mistero.
