Ridurre le incertezze studiando l'universo

Matin Mojaza. Credit: Matin Mojaza/SDU.

Non è un segreto che i modelli più diffusi per spiegare l’origine, lo sviluppo e la struttura dell’Universo non sono in grado di rendere conto di tutte le sue parti. La complessità è, in certa misura, ancora sconosciuta. Per questo motivo alcuni ricercatori da tempo si dedicano a capire proprio quelle parti della natura che i “modelli standard” non riescono a spiegare. Spesso si parla di “nuova fisica” o “fisica che va oltre” le nostre consuete strategie esplicative: ora, un nuovo articolo intendere mettere un po’ di ordine in questo campo. Ecco gli estremi del paper: Matin Mojaza, Stanley J. Brodsky, Xing-Gang Wu, A Systematic All-Orders Method to Eliminate Renormalization-Scale and Scheme Ambiguities in PQCD, in “Physical Review Letters”: (arxiv.org/abs/1304.4631).

“Con nuova fisica si intende la ricerca di fenomeni sconosciuti nella percezione attuale dell’universo. Tali fenomeni sono intrinsecamente molto difficili da rilevare”, spiega il dottorando Matin Mojaza da CP3-Origins, un un centro di ricerca presso l’Università della Danimarca meridionale. Insieme ai colleghi Stanley J. Brodsky della Stanford University e a  Xing-Gang Wu della Chongqing University in Cina, Matin Mojaza sta riuscendo a creare un nuovo metodo che può rendere più facile la ricerca di nuova fisica. Il metodo si fonda sulla procedura scalesetting; più semplicemente intende focalizzare l’attenzione sulle zone d’ombra, sui buchi nelle teorie, nei modelli e nelle simulazioni che costituiscono la base per tutta la fisica delle particelle. “Con questo metodo possiamo eliminare buona parte delle incertezze nelle teorie e nei modelli di oggi”, spiega Matin Mojaza. Al di là dei tecnicismi di merito prettamente fisico, vediamo di capire cosa si intende. La maggior parte dei modelli e delle teorie della fisica delle particelle fornisce alcuni parametri che gli scienziati non sanno come impostare. “I fisici non sanno quali valori dare a questi parametri ad esempio, quando si studia il Modello Standard; vediamo questi parametri che restano sconosciuti e non possiamo sapere se devono essere interpretati come condizioni che sostengono o come elementi che si oppongono al Modello Standard. Ciò rende abbastanza difficile studiare il Modello Standard con la precisione sufficiente per vagliarne il valore sul piano teorico”, commenta Matin Mojaza.

Grazie a questo nuovo approccio è ora possibile ripulire completamente i modelli da questi parametri sconosciuti e, di conseguenza, valutare se una teoria o un modello fa acqua oppure no. Come si è detto, il Modello Standard è la struttura esplicativa dominante per comprendere come è costruito l’Universo: sono per ora 16 (o 17 se consideriamo anche la particella di Higgs) le particelle subatomiche, ossia i mattoni costituenti di tutto ciò che esiste. Nonostante la sua cogenza, il Modello Standard ha cominciato ad essere messo in discussione da alcuni esperimenti che tendono a credere che non sia l’ultima parola sulla storia dell’Universo. Uno dei problemi principali del Modello Standard è che non spiega la gravità, né l’esistenza della materia oscura, senza poi considerare che le proprietà della particella di Higgs recentemente scoperta è incompatibile con l’Universo stabile descritto dal Modello Standard. Il primo passo compiuto dal team di Matin Mojaza concerne una revisione della Cromodinamica Quantistica (la teoria che predice come interagiscono i quark e i gluoni, le particelle che mantengono i quark “in atto” all’interno dei protoni e neutroni). Secondo la loro teoria esiste la possibilità di ripulire dalle incertezze alcuni risultati ottenuti dai calcoli di queste interazioni e che è possibile ottenere un quadro più affidabile, se i risultati confermano o contraddicono i modelli attuali.

Se questa è la via maestra per una nuova fisica non è ancora dato saperlo. Quello che è certo è che il Modello Standard va esteso per comprendere la gravità e la materia oscura. In questo senso, le possibilità sono più di una, dalle teorie technicolor alla supersimmetria. Della supersimmetria accennerò qualcosa verso la fine di questo articolo. Due parole sulle technicolor. Il Modello Standard suggerisce che i protoni e i neutroni sono fatti di una diversa combinazione di particelle ancora più elementari: i quark e i gluoni. Tuttavia, non possiamo osservare direttamente queste particelle allo stato libero: l’interazione nucleare forte le tiene legate. Infine, come se non bastasse, gli esperimenti confermano che queste particelle si presentano con tre varietà diverse, chiamate “carica di colore”, la cui esistenza sembra un mero dato.

Ora, mentre nessuno ancora sa il motivo per cui il Modello Standard sia costituito da questo insieme di particelle, forse una possibilità è che esistano più tipi di quark e gluoni con un numero diverso di cariche di colori, la cui interazione risulta estremamente forte. Prese insieme, queste possibilità sono note come teorie technicolor. Sembra confermato che il Modello Standard non può essere la teoria definitiva, in quanto è solo in grado di descrivere circa il 35% dell’Universo. Faccio ora un esempio di progressiva riduzione delle incertezze: decadimento del mesone Bs in due muoni. 

(Credit: ATLAS/CERN).

Una delle più cogenti verifiche a cui è mai stato sottoposto il Modello Standard è arrivata a fine giugno dai risultati presentati a Stoccolma alla Conferenza della European Physics Society (EPS). Gli esperimenti CMS e LHCb del Large Hadron Collider di Ginevra hanno reso pubbliche le misure concernenti uno dei processi più rari in fisica: il decadimento del mesone Bs in due muoni. Le nuove misure sono davvero incoraggianti. Mostrano infatti che, mediamente su un miliardo di mesoni Bs, solo una manciata decade in una coppia di muoni, confermando in toto le previsioni del Modello Standard. Entrambi gli esperimenti hanno presentato risultati con un’elevata significanza statistica – più di 4 sigma per ogni esperimento.

“E’ un risultato eccellente per LHCb”, commenta Pierluigi Campana portavoce dell’esperimento e fisico dell’INFN. “E’ per misure di precisione come questa che è stato costruito LHCb. Questi risultati ci mostrano che  stiamo sottoponendo il modello standard alle più stringenti verifiche, possibili ai livelli di energia di LHC, e con risultati eccellenti”. Da ben 40 anni i fisici stanno lavorando per verificare il Modello Standard e trovarne tutte le particelle, bosone di Higgs incluso. E’ una teoria stringente, fino ad oggi testata con precisione e che predice accuratamente il comportamento delle particelle elementari. Ma questo non basta. Lo ricordo: il Modello Standard, infatti, non spiega la gravità e non descrive né motiva la presenza della materia oscura, né dell’energia oscura. Solo il 5% del nostro Universo è fatto della materia descritta dal Modello Standard. Perché dunque “ha vinto” la materia ordinaria pur essendo la materia oscura così elevata sul piano quantitativo? La presenza di quest’ultima è solo dedotta dagli effetti gravitazionali che ha sulla materia ordinaria, ma il Modello Standard non riesce a pronunciarsi nemmeno su questo.

“Questo è un processo che i fisici delle particelle  hanno cercato di individuare per 25 anni”, precisa Joe Incandela, portavoce dell’esperimento CMS. “Ci dimostra l’incredibile capacità di LHC e degli esperimenti come CMS  di osservare processi rarissimi  (come quelli che coinvolgono particelle con una massa circa 1000 volte più piccola di quella delle particelle più pesanti che noi stiamo cercando)”. Questi passi avanti sono indubbiamente un passo avanti per il Modello Standard. Ma la strada da percorrere è ancora lunga, soprattutto alla luce dell’interrogativo che di frequente non solo i fisici si pongono: di nuovo, esiste una fisica al di là del Modello Standard?  Anche se la supersimmetria potrebbe costituire un’alternativa al campo di Higgs per spiegare l’origine della massa, tuttavia i risultati di LHC hanno confermato le previsioni del Modello Standard, mettendo in scacco le ipotesi alternative. Forse non proprio tutte.

La supersimmetria (o SUSY, da SUper SYmmetry) è stata formulata per rendere conto dei fenomeni della fisica delle particelle che rimangono inspiegati nell’ambito del Modello Standard. La peculiarità di questa ipotesi è semplice: a ogni particella bosonica, dotata cioè di spin intero, si associa una particella fermionica (o superpartner) dotata di spin semi-interi (in modo correlativo, ogni fermione ha un superpartner bosonico). Dobbiamo ammettere che sembra una tesi abbastanza esotica. Perché abbiamo bisogno della supersimmetria? Ecco tre buoni motivi: (i) consente di unificare le tre forze fondamentali della natura, una volta raggiunte le energie più elevate; (ii) prevede l’esistenza di particelle che potrebbero costituire la materia oscura; (iii) permette di risolvere il problema della differenza di intensità tra forza nucleare debole e forza gravitazionale – di 32 ordini di grandezza a favore della forza debole (ciò significa che è 100.000 miliardi di miliardi di miliardi più intensa). Tuttavia, benché il modello standard sia solidamente confermato dagli esperimenti, sul tappeto rimangono ancora molti problemi.

I risultati di oggi di LHCb e CMS permettono di operare una decisa scrematura tra i modelli di SUSY accettabili: questo significa che vanno scartati quelli incompatibili con le nuove misure presentate a Stoccolma. La “nuova fisica” che molti scienziati auspicano di scovare prima poi, forse, non è al di là del Modello Standard.

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