Alla ricerca della falla nel Modello Standard

APPROFONDIMENTO – È la teoria che ambisce a sintetizzare attraverso poche equazioni tutti i fenomeni conosciuti, tranne quelli gravitazionali, e lo fa in termini di pochi costituenti chiamati particelle elementari e tre interazioni fondamentali: la nucleare debole, la nucleare forte e l’elettromagnetica. Si chiama Modello Standard e insieme alla teoria della Relatività Generale costituisce la nostra descrizione dell’universo. È un edificio imponente, anche se poco elegante, che si è mostrato solidissimo nel corso degli anni e che di recente ha visto l’aggiunta dell’ultimo mattone fondamentale per la sua struttura: l’osservazione del bosone di Higgs, previsto addirittura negli anni ’60. Eppure, proprio ora che il modello è stato coronato da questo spettacolare successo, i fisici sono alla ricerca disperata di una “crepa” nel suo edificio che possa aprire le porte a una nuova teoria.

Gli scienziati sono certi che ci debba essere qualcosa al di fuori delle sue previsioni ma, a fronte di molte congetture e teorie, nessun risultato sperimentale contraddice il modello. Gli annunci di aver trovato qualcosa finora si sono rivelati degli abbagli. L’ultimo, quello della possibile esistenza di quinta interazione fondamentale, deve ancora essere messo alla prova. Ma il mondo accademico è piuttosto scettico. Il problema è che il Modello Standard funziona alla perfezione e le uniche vere criticità vengono dalla cosmologia: sono la materia oscura e l’energia oscura, due enigmi senza risposta nella fisica attuale che insieme costituiscono il 95% dell’universo. Per comprendere meglio la situazione in cui si trova il mondo della ricerca teorica di base, ci siamo rivolti al fisico teorico Andrea Romanino e al cosmologo Carlo Baccigalupi, entrambi professori ordinari alla SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati) di Trieste.

Come dicevamo, il Modello Standard è molto radicato nelle osservazioni ed è composto da diversi settori. “Il nucleo fondamentale è il settore delle interazioni elettrodeboli, che unifica l’interazione debole con quella elettromagnetica ed è stato formulato da Glashow, Weinberg e Salam che grazie a queste ricerche hanno poi vinto il Nobel” racconta Romanino. Questo però “è il coronamento di una storia iniziata con Fermi, il quale descrisse in maniera più pratica queste interazioni, comprese a fondo solo molti anni dopo”. A differenza di altre teorie, infatti, il Modello Standard ha richiesto decine di anni per essere formulato e il contributo di numerosi fisici. Dopo l’inclusione nel modello della descrizione dell’interazione forte “il fuoco dell’indagine si è spostato sull’unificazione dell’interazione forte con quella elettrodebole [la cosidetta Teoria di Grande Unificazione o GUT] e sulla rottura della simmetria elettrodebole legata al meccanismo di Higgs” aggiunge Baccigalupi.

Il Modello Standard ha avuto il suo coronamento con l’osservazione del bosone di Higgs, la cui esistenza era stata teorizzata nel 1964. Il fenomeno era molto ben descritto dalla teoria e il motivo per cui si sono dovuti aspettare tanti anni per una prova sperimentale è l’altissima energia richiesta, che solo di recente è stata raggiunta nell’LHC di Ginevra. Il tentativo di unificare le interazioni, invece, non ha ancora dato risultati definitivi, ma ha prodotto diverse GUT (tra queste è molto in voga la supersimmetria) che si presentano come delle possibili estensioni del modello. In ogni caso, anche se la questione GUT rimane aperta, a oggi “il Modello Standard dal punto di vista sperimentale funziona alla perfezione” sottolinea Baccigalupi.

Ci sono punti deboli? “Il Modello Standard è una teoria consistente di per sé, ma oggi sappiamo che ci sono alcune cose, come la materia oscura, che non è in grado di spiegare. È imbarazzante non sapere cosa sia la maggior parte della materia presente nell’universo. Anche l’asimmetria barionica, la mancanza di bilanciamento tra materia e antimateria, non è descritta dal modello. Così come la gravità” prosegue Romanino. Secondo Baccigalupi, oggi “il maggior punto debole del Modello Standard è la materia oscura”. È circa cinque volte maggiore della materia normale e dovrebbe essere formata da particelle che nel modello non trovano posto. Sappiamo che esiste perché ne vediamo gli effetti gravitazionali, ma non abbiamo idea di che cosa possa essere fatta. L’ipotesi principale è che sia costituita da particelle che reagiscono debolmente, come i neutrini, ma ogni esperimento per cercare di rivelarla è fallito.

Secondo Romanino,“al di là di questi dati sperimentali ci sono anche motivi teorici ed estetici che ci inducono a credere che ci siano problemi”. Il problema estetico risiede proprio nella mancanza di eleganza della teoria perché “il Modello Standard, in termini di una decina di mattoni fondamentali di tre interazioni e una decina di parametri da fissare, descrive gran parte dell’universo tranne la gravità”.

I parametri sono legati alle masse delle particelle e devono essere ricavati sperimentalmente, perché il loro valore non è fissato dalla teoria. “Qualunque fenomeno può essere descritto in maniera precisa in un’equazione di tre righe. Aggiungendo la gravità si descrive quasi ogni cosa. Però siamo ancora più ambiziosi e ci piacerebbe scrivere tutto in termini di un principio unico, una sola legge, una forza unificata. Vorremmo ricavare tutti i parametri da uno solo, o nessuno”.

Questa mancanza di eleganza salta all’occhio, specie se confrontata con la semplicità della Relatività Generale. È come trovarsi di fronte a un immenso edificio barocco, in cui l’architetto si è fatto prendere la mano, e confrontarlo con la perfezione e l’equilibrio di un edificio classico o rinascimentale. Il problema della naturalezza è ben più serio ed è sancito proprio dalla massa del bosone di Higgs. Oggi non abbiamo una teoria che ci permetta di trattare la gravità dal punto di vista quantistico, ma sappiamo che richiede l’esistenza di particelle a una scala di massa molto più grande di quella del bosone di Higgs (10^16 volte maggiore).

L’esistenza di tali particelle è difficile da conciliare con la massa del bosone di Higgs, vicina a quella delle particelle del Modello Standard. Si tratta di una differenza che dà origine a un grosso problema teorico. La massa del bosone di Higgs, infatti, viene calcolata con una tecnica detta perturbativa, tramite la quale si ricava prima un termine principale e in seguito correzioni via via meno importanti. L’esistenza di particelle a una scala di massa molto grande, però, rende queste correzioni enormi, molto maggiori del termine principale della massa del bosone.

“Ciò vuol dire che la massa di questa particella viene fuori da un’equazione in cui compaiono quantità notevolmente più grandi, che in qualche modo devono annullarsi alla perfezione. È assolutamente innaturale e richiede una ragione” spiega Romanino. La soluzione a questo problema era l’esistenza di altre particelle, previste da un gruppo di teorie di grande unificazione come quella della supersimmetria. Tuttavia, ammette il fisico teorico, “pensavamo di aver capito perché avveniva la cancellazione delle correzioni e la spiegazione richiedeva che esistessero nuove particelle associate a un’estensione del Modello Standard, con una massa non troppo maggiore rispetto a quella del bosone di Higgs. Ma LHC non le ha trovate, il che ci fa credere di non aver capito il problema della naturalezza. Questo ha provocato uno spaesamento nella comunità dei fisici teorici”.

Dopo il bosone di Higgs, in effetti, LHC non ha osservato nulla di nuovo. Le teorie come la supersimmetria, oltre a risolvere il problema della naturalezza e unificare le forze, potrebbero anche predire nuove particelle che potrebbero costituire la materia oscura. Tuttavia le estensioni più semplici del Modello Standard non sono state confermate . “Se la supersimmetria esiste è a energie più alte e questa è una brutta notizia”, conferma Baccigalupi. “Sarebbe stato gentile da parte della natura darci un suggerimento su che modifiche fare al Modello Standard. Siamo tutti in attesa, dopo il bosone di Higgs, che gli esperimenti producano un suggerimento. Visto che i modelli più semplici di supersimmetria sono stati esclusi”.

Per capire quale strada prendere, ora si sta cercando qualcosa che il Modello Standard non abbia previsto. Dati ed esperimenti suggeriscono un’estensione, ma non indicano la direzione né richiedono neanche che la nuova fisica abbia una massa accessibile negli esperimenti. “Trovare una falla nelle previsioni del Modello Standard, che indicasse un’estensione a scale di energia non tanto maggiori, era proprio ciò che si sperava. Alla luce del fatto che non è stato trovato nulla, non sono più così fiducioso che l’estensione sia a scale di energia per noi raggiungibili”. Visto che è improbabile nel prossimo futuro poter superare le energie di LHC, i fisici si stanno orientando su una linea di ricerca alternativa. Invece di cercare nuove particelle e nuovi fenomeni ad energie altissime si cercano, invece, in eventi estremamente rari.

Un contributo importante potrebbe arrivare dalla cosmologia. Con il satellite Planck, infatti, è stata inaugurata l’era della cosmologia di precisione. “Le particelle non sono più investigate solo negli acceleratori. Lo studio di oggetti astrofici e la cosmologia ha ormai profonde implicazioni in questo tipo di ricerche” spiega Baccigalupi. “In fisica delle particelle si investiga in maniera diretta la struttura della materia. Osservando invece l’universo primordiale oppure oggetti estremamente compatti, come i buchi neri, possiamo ottenere indicazioni molto importanti di fisica fondamentale. Da tempo la cosmologia indica fortemente la necessità di estensioni del Modello Standard”.

Tali estensioni sono di due tipi e sono suggerite da due fenomeni distinti: uno è l’esistenza di aloni di materia oscura che formano galassie e ammassi di galassie (e richiede particelle al di fuori del Modello Standard), l’altro è l’espansione accelerata dell’universo dovuta all’energia oscura, una forma di energia del vuoto di natura sconosciuta. Questa energia, che oggi costituisce circa ben il 70% del contenuto dell’universo, non è prevista dalla fisica teorica e potrebbe richiedere l’esistenza di una nuova forza o una modifica della gravità.

Negli ultimi anni il problema di mancanza di comunicazione tra fisici teorici e cosmologi sta venendo progressivamente superato. “L’evoluzione degli esperimenti e dei campi di ricerca porta a una naturale convergenza” spiega Romanino, che resta però scettico su un affidamento così completo dei fisici teorici alla cosmologia. “La comunità dei fisici teorici si sta muovendo per vedere cosa si può capire dalla cosmologia e qualche indicazione potrebbe arrivare dal punto di vista delle leggi fondamentali. Ma sarebbe sorprendente arrivare a delle rivelazioni, perché materia ed energia oscure rappresentano domande più che risposte”.

Più ottimista è Baccigalupi, perché “la cosmologia può aiutare a integrare la gravità con le altre forze, in quanto è capace di spingersi sino allo studio dei primissimi istanti di vita dell’universo, quando la gravità si è separata dalle altre forze. Le misure oggi disponibili in cosmologia ci permettono di fare teorie e testarle fino a frazioni di secondo dopo il Big Bang. È una sorta di esperimento unico nell’universo, ma noi ancora oggi possiamo eseguire misure e studiarlo guardando nel lontano passato”.

La caccia all’esperimento che apra le porte a una nuova fisica è aperto.

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