SUSY, idee alternative per una nuova fisica

Dopo che gli ultimi esperimenti realizzati al Large Hadron Collider (LHC) non hanno portato alla scoperta di quelle particelle la cui esistenza è prevista dalla teoria, la fisica sembra ritornare ad uno “scenario da incubo”. Era il 1982 quando il fisico lettone Mikhail Shifman fu attratto da una teoria elegante, nota come supersimmetria, che tentava di descrivere tutte le particelle elementari note in un nuovo e più completo quadro dell’Universo. “I miei articoli produssero un vero e proprio entusiamo all’epoca”, afferma Shifman, oggi professore di fisica all’età di 63 anni presso l’Università del Minnesota. Nel corso degli anni, egli assieme ad altre migliaia di fisici hanno sviluppato tutta una serie di ipotesi e modelli consapevoli che gli esperimenti avrebbero confermato l’esistenza della supersimmetria. “Nonostante ciò, la natura non sembra mostrarsi favorevole, almeno non nella sua forma più semplice”, afferma Shifman.
Anche se la teoria prevede l’esistenza delle particelle supersimmetriche, Shifman sta cercando la collaborazione di altri colleghi per trovare delle idee alternative. In un suo recente articolo apparso su arXiv, lo scienziato russo dichiara di voler abbandonare il percorso “dalle caratteristiche estetiche barocche” della supersimmetria per proseguire, invece, con un approccio alternativo al fine di superare quegli ostacoli che hanno portato al fallimento gli esperimenti realizzati allo scopo di dimostrare l’esistenza delle particelle supersimmetriche. “E’ arrivato il momento di pensare e sviluppare nuove idee”, spiega Shifman. Ma c’è ancora qualcosa da fare. Finora, dagli esperimenti realizzati da LHC non abbiamo ottenuto alcun indizio dell’esistenza di una “nuova fisica” che si estende al di là del Modello Standard, il quadro teorico maggiormente accettato che descrive il mondo delle particelle elementari e le interazioni fondamentali. Ad esempio, l’esistenza del bosone di Higgs è prevista dal Modello Standard. Inoltre, gli ultimi risultati che sono stati presentati alla conferenza di Kyoto sembrano escludere un’altra ampia classe di modelli supersimmetrici così come altre teorie alternative che si basano su una nuova fisica, dato che non sono state osservate particelle che fossero inattese dai processi di decadimento (vedasi questo post). “Tutto questo è imbarazzante, certo non siamo dei o profeti che possano prevedere ciò che ci riserva la natura”, continua Shifman. Dunque, oggi i fisici delle particelle si trovano di fronte ad un bivio: o si seguono le idee dei loro predecessori, magari utilizzando versioni più complesse della supersimmetria, oppure si cambia decisamente strada e si riparte con nuove idee.

Lo zoo delle particelle. Credit: New Scientist

La supersimmetria o SUSY, in breve, ha dominato il quadro teorico della fisica delle particelle elementari per decenni, escludendo quasi tutte le teorie fisiche alternative che vanno al di là del Modello Standard. Ma perché è importante la supersimmetria? Esistono tre motivi principali: intanto, essa prevede l’esistenza in natura di quelle particelle che potrebbero essere le costituenti della materia scura, quella componente invisibile di materia che permea lo spazio e circonda come uno scheletro le galassie e gli ammassi di galassie; poi, la supersimmetria permette di unificare tre forze fondamentali a energie elevate; infine, e ragione più importante, essa permette di risolvere un grosso dilemma teorico noto come problema gerarchico. Quest’ultimo problema sorge dalla enorme differenza in termini di intensità che esiste tra la forza di gravità e la forza nucleare debole che è circa 100 milioni di trilioni di trilioni di volte maggiore e agisce su scale molto più piccole mediando le interazioni all’interno dei nuclei atomici. Le particelle che trasportano la forza debole, ossia i bosoni W e Z, acquisiscono le loro masse interagendo con il campo di Higgs, cioè un campo di energia che permea tutto lo spazio. Tuttavia, non è ancora chiaro come mai l’energia del campo di Higgs, e perciò le masse dei bosoni W e Z, non sia di gran lunga molto più grande. Ora, dato che le altre particelle interagiscono con il campo di Higgs, le loro energie dovrebbero riversarsi, per così dire, nel campo di Higgs durante quegli eventi noti come fluttuazioni quantistiche. Questi processi potrebbero aumentare l’energia del campo di Higgs causando un incremento delle masse dei bosoni W e Z e riducendo di conseguenza l’intensità della forza nucleare debole rendendola simile alla forza di gravità. La supersimmetria risolve il problema gerarchico ammettendo l’esistenza di una particella supersimmetrica, detta anche superparticella, per ogni particella elementare. Secondo la teoria, i fermioni, cioè le particelle che compongono la materia ordinaria, hanno come particelle supersimmetriche i bosoni, che sono le particelle che trasportano le interazioni, e analogamente i bosoni hanno i fermioni come particelle supersimmetriche. Dato che le particelle e le rispettive superparticelle sono di tipo opposto, il loro contributo energetico al campo di Higgs è di segno opposto: le une incrementano la sua energia, le altre la diminuiscono. Le coppie di contributi si cancellano e ciò non ha conseguenze catastrofiche per il campo di Higgs. Il fatto interessante è che un tipo di superparticella, non ancora osservata, potrebbe essere una dei costituenti della materia scura. “La supersimmetria ha una struttura così bella ed elegante che noi fisici riteniamo che tutto ciò che abbia una qualità estetica ci conduca verso la verità” afferma Brian Greene. Ma nel corso del tempo, poiché le superparticelle non sono state trovate, la teoria ha smesso di avere un ruolo da protagonista. Secondo gli attuali modelli, si ritiene che le superparticelle dovrebbero mostrarsi a valori più alti di energia, in altre parole dovrebbero possedere masse più elevate. In tal senso, i fisici hanno presentato tutta una serie di modelli per dimostrare come può avere origine la rottura della simmetria, analizzando una miriade di versioni della supersimmetria. Però, la rottura della supersimmetria può generare un nuovo problema: se ammettiamo che le superparticelle abbiano masse sempre più elevate rispetto alle rispettive particelle, la cancellazione dei loro effetti potrebbe non funzionare in maniera appropriata. Durante gli anni ’80, i fisici delle particelle ritennero che fosse possibile rivelare le superparticelle che sono leggermente più pesanti delle particelle note e a quell’epoca nemmeno il Tevatron, l’acceleratore di particelle del Fermilab ormai andato in pensione, fu in grado di trovare tracce della loro esistenza. Se poi nemmeno LHC, che è in grado di esplorare un intervallo di energie più elevate, non è stato in grado di rivelare alcuna evidenza dell’esistenza di superparticelle, la conclusione è che la teoria sembra ormai superata. Inoltre, le attuali versioni della supersimmetria prevedono l’esistenza di masse per le superparticelle così pesanti che dovrebbero superare gli effetti delle rispettive particelle più leggere al fine di sintonizzare, per così dire, quei processi che portano alle cancellazioni fra le varie superparticelle. Ma introdurre un processo di sintonizzazione per risolvere il problema gerarchico rende dubbiosi alcuni fisici. “Ciò dimostra come dovremmo fare un passo indietro e ripartire nuovamente da quei problemi per cui è stata introdotta una fenomenologia basata sulla SUSY”,  spiega Shifman. Alcuni teorici stanno andando oltre e affermano che, in contrasto alla bellezza originaria della teoria, la natura potrebbe essere una combinazione tutt’altro che elegante delle particelle supersimmetriche. In alcuni modelli meno popolari della supersimmetria, le superparticelle più leggere non sono quelle che hanno tentato di cercare gli esperimenti di LHC. In altri modelli, invece, le superparticelle non sono più pesanti delle particelle note ma sono meno stabili, una proprietà che le rende più difficili da rivelare.

Insomma, se non salterà fuori nulla dal cilindro dei fisici, una situazione che è stata definita dagli addetti ai lavori come lo “scenario da incubo”, gli scienziati rimarranno ancora con un quadro dell’Universo che risale a circa trent’anni fa prima che fosse concepita la supersimmetria. E se poi non sarà costruito un acceleratore di particelle che possa esplorare un dominio di energie ancora più elevate, con ogni probabilità la fisica delle particelle andrà verso un periodo di decadenza e, in futuro, anche i posti di lavoro saranno sempre meno richiesti dai ricercatori. Ma, forse, non andrà in questo modo perché la Scienza è come una impresa in continua evoluzione e autocorrezione. Le idee che sono sbagliate vengono scartate subito con il passare del tempo e gli uomini continueranno a cercarne altre, nuove e affascinanti perché la strada della Scienza è e rimane sempre quella della verità.