Cosa sono i tachioni?

Nel modello standard della fisica delle particelle e nella teoria della relativita ristretta di Albert Einstein, la velocita della luce nel vuoto (c) serve come limite di velocita cosmico assoluto per tutte le forme conosciute di materia e informazione. Tuttavia, il framework matematico della relativita non vieta esplicitamente l'esistenza di particelle che viaggiano sempre piu veloce della luce. Queste entita ipotetiche sono note come tachioni.

1. L'origine storica dei tachioni

Le basi concettuali per le particelle superluminali risalgono all'inizio del XX secolo. Gia nel 1917, il fisico Richard Tolman riconobbe che il viaggio superluminale nel framework della relativita ristretta avrebbe portato a violazioni della causalita, articolate nel famoso paradosso dell'"antitelefono tachionico".

Tuttavia, la formalizzazione moderna del concetto di tachione e attribuita principalmente al fisico Gerald Feinberg, che conio il termine nel suo fondamentale articolo del 1967 pubblicato sulla Physical Review, intitolato "Possibility of Faster-Than-Light Particles". Il nome stesso deriva dalla parola greca tachys (ταχυς), che significa "veloce". Feinberg ipotizzo che i tachioni potessero esistere come quanti di un campo quantistico con massa immaginaria. Nello stesso periodo, i fisici E.C.G. Sudarshan, O.M.P. Bilaniuk e V.K. Deshpande svilupparono indipendentemente un rigoroso framework cinematico per le particelle superluminali, classificando tutta la materia in tre categorie distinte in base al loro rapporto con la velocita della luce:

• Bradioni (o tardioni): Particelle con massa a riposo reale che viaggiano sempre piu lentamente di c (es. protoni, elettroni).
• Lussoni: Particelle prive di massa che viaggiano esattamente a c (es. fotoni, gluoni).
• Tachioni: Particelle ipotetiche con massa a riposo immaginaria che viaggiano sempre piu veloci di c.

2. La cinematica della massa immaginaria

Per comprendere i tachioni, bisogna esaminare l'equazione relativistica energia-impulso:

Per una particella che viaggia piu veloce della luce, il suo impulso (p) e la sua energia (E) devono rimanere matematicamente reali affinche la particella sia fisicamente osservabile. Secondo le equazioni della trasformazione di Lorentz, l'energia relativistica di una particella e data da E = m₀c² / √(1 - v²/c²).

Se la velocita (v) e maggiore di c, il termine sotto la radice quadrata (1 - v²/c²) diventa negativo, risultando in un denominatore immaginario. Affinche l'energia totale (E) rimanga un numero reale, la massa a riposo (m₀) deve essere anch'essa un numero immaginario. Quando un numero immaginario e diviso per un numero immaginario, il risultato e reale. Pertanto, i tachioni sono matematicamente definiti dal possedere una massa a riposo immaginaria (un multiplo della radice quadrata di -1, ovvero i).

3. I tachioni nella teoria quantistica dei campi e nella teoria delle stringhe

Sebbene le particelle tachioniche isolate non siano mai state osservate, i campi tachionici sono un concetto fondamentale nella fisica teorica moderna, in particolare nella teoria quantistica dei campi (QFT) e nella teoria delle stringhe.

Nella QFT, un tachione e inteso non necessariamente come una particella che viaggia piu veloce della luce, ma come un'indicazione di un'instabilita nel sistema. Un campo con massa immaginaria (un campo tachionico) rappresenta una configurazione situata sul massimo locale della sua energia potenziale, come una palla in equilibrio precario sulla cima di una collina.

Questa instabilita viene risolta attraverso un processo noto come condensazione dei tachioni. Il campo "rotola giu" dalla collina per raggiungere un minimo stabile, acquisendo un valore di aspettazione del vuoto diverso da zero. L'esempio piu famoso di questo meccanismo e il campo di Higgs. Prima della rottura spontanea della simmetria nell'universo primordiale, il campo di Higgs era tecnicamente tachionico (aveva un termine di massa al quadrato negativo). Man mano che l'universo si raffreddava, il campo subiva la condensazione dei tachioni, rompendo la simmetria elettrodebole e conferendo massa alle particelle fondamentali.

Nella teoria delle stringhe bosoniche, la versione fondamentale della teoria delle stringhe, lo stato a energia piu bassa (lo stato fondamentale) della stringa e un tachione. Questo "problema del tachione" indicava che la teoria delle stringhe bosoniche era instabile. Il problema fu successivamente risolto dall'introduzione della supersimmetria, che porto alla teoria delle superstringhe, la quale elimina naturalmente lo stato fondamentale tachionico.

4. Ricerche sperimentali e l'anomalia OPERA

Per decenni, i fisici sperimentali hanno condotto ricerche rigorose di particelle tachioniche utilizzando rivelatori di raggi cosmici e acceleratori di particelle. Se i tachioni carichi esistessero, emetterebbero teoricamente radiazione Cherenkov anche nel vuoto perfetto, poiche viaggerebbero piu veloci della velocita locale della luce (che nel vuoto e c). Questa perdita continua di energia li farebbe accelerare verso la velocita infinita. Nessuna radiazione Cherenkov nel vuoto e mai stata rilevata.

L'intersezione moderna piu famosa tra fisica sperimentale e tachioni avvenne nel 2011 con l'anomalia dei neutrini OPERA. La collaborazione OPERA al Laboratorio Nazionale del Gran Sasso in Italia riporto che neutrini muonici sparati dalla struttura del CERN in Svizzera erano arrivati 60 nanosecondi prima di quanto la luce avrebbe impiegato per percorrere la stessa distanza. Per un breve periodo, la comunita fisica considero la possibilita che i neutrini potessero essere tachionici.

Tuttavia, le indagini successive rivelarono che l'anomalia era il risultato di errori nelle misurazioni sperimentali, in particolare un cavo in fibra ottica allentato che collegava un ricevitore GPS a una scheda elettronica, e un oscillatore dell'orologio che ticchettava leggermente troppo veloce. Una volta corretti, le velocita dei neutrini risultarono coerenti con la velocita della luce, e l'ipotesi tachionica fu scartata.

5. Il paradosso della causalita: l'antitelefono tachionico

L'obiezione teorica principale all'esistenza di tachioni fisici e la violazione della causalita. Nella relativita ristretta, la sequenza degli eventi dipende dal sistema di riferimento dell'osservatore. Se i tachioni possono trasmettere informazioni piu velocemente della luce, e possibile costruire sistemi di riferimento in cui un segnale viene ricevuto prima di essere inviato.

Cio e illustrato dal paradosso dell'antitelefono tachionico. Se Alice e Bob si stanno allontanando l'uno dall'altra a velocita relativistiche, Alice potrebbe usare un trasmettitore tachionico per inviare un messaggio a Bob. Bob, al riceverlo, risponde immediatamente con il proprio trasmettitore tachionico. A causa della relativita della simultaneita, la matematica impone che Alice riceverebbe la risposta di Bob prima di aver inviato il suo messaggio originale. Questo crea un anello causale fatale: e se il messaggio originale di Alice fosse un'istruzione a Bob di *non* rispondere?

Per risolvere questo problema, i fisici si affidano a principi come la congettura di protezione cronologica di Stephen Hawking o all'idea che anche se i campi tachionici esistono (come nel meccanismo di Higgs), non possono essere utilizzati per trasmettere informazioni o energia localizzata piu velocemente di c.

Conclusione

I tachioni rimangono un'elegante curiosita matematica e uno strumento teorico vitale. Sebbene particelle fisiche che sfrecciano attraverso lo spazio piu veloci della luce non siano mai state rilevate -- e creerebbero scompiglio nella causalita se lo fossero -- la matematica sottostante della massa immaginaria e dei campi tachionici (condensazione dei tachioni) e assolutamente centrale per la nostra comprensione moderna della teoria quantistica dei campi e dell'origine della massa nell'universo.