Una nuova teoria sulla simmetria di scala

Sebbene le galassie siano molto più grandi degli atomi, un pò come gli elefanti rispetto alle formiche, alcuni fisici iniziano a pensare che le differenze tra le dimensioni potrebbero essere una mera illusione. Forse, la descrizione fondamentale dell’Universo non include i concetti di “massa” e “lunghezza”, implicando il fatto che nella sua vera essenza la Natura potrebbe non avere un senso intrinseco del concetto di scala delle misure.

Secondo una nuova teoria, le scale di massa e lunghezza emergono dall'interazione tra le particelle.
Credit: Andy Gilmore

Questa idea, che è stata poco esplorata ed è nota come "simmetria di scala", rappresenta una deviazione radicale da quelle assunzioni ormai assodate da lungo tempo su come vengono acquisite le proprietà delle particelle elementari. Tuttavia, questo concetto è emerso di recente come una sorta di pensiero comune tra i fisici delle particelle. Bloccati in una specie di impasse, i ricercatori sono ripartiti dalle principali equazioni che descrivono le particelle note e le loro interazioni, chiedendosi cosa succede quando si eliminano i termini che hanno a che fare con la massa e la lunghezza. La Natura, al livello più profondo, potrebbe non risentire del concetto di scala. Ora, applicando questo nuovo concetto della simmetria di scala, i fisici ripartono dall’equazione di base che definisce un insieme di particelle senza massa, in ognuna delle quali confluiscono le caratteristiche di materia o antimateria e di carica elettrica positiva o negativa. Nel momento in cui queste particelle si attraggono e si respingono, e gli effetti delle loro interazioni si manifestano a cascata attraverso i calcoli, la simmetria di scala viene meno e sia le masse che le lunghezze emergono spontaneamente. Effetti dinamici similari generano il 99 percento della massa nell’Universo osservabile. I protoni e i neutroni sono amalgamati, ognuno di essi è una combinazione di tre particelle fondamentali, denominati quark. L’energia necessaria per tenere insieme i quark dà luogo ad una massa combinata che è circa 100 volte maggiore di quella dovuta alla somma delle tre singole componenti. La maggior parte della massa viene generata in questo modo, perciò i fisici sono interessati a vedere se è possibile che tutta la massa venga creata seguendo questo processo fisico. Nelle equazioni del modello standard delle particelle, solamente una particella scoperta nel 2012 (post) emerge già con una propria massa. Secondo una teoria formulata circa 50 anni fa dal fisico britannico Peter Higgs, si ritiene che il bosone di Higgs conferisca la massa alle altre particelle attraverso un meccanismo di interazione, chiamato appunto meccanismo di Higgs. Dunque, la massa delle particelle deriva dal bosone di Higgs e, grazie ad una sorta di effetto di ritorno, le particelle determinano il valore della massa del bosone di Higgs. Il nuovo approccio che si basa sulla simmetria di scala tenta di riscrivere, per così dire, l’inizio di questa storia. L’idea è che persino la massa di Higgs non sia realmente lì e potrebbe essere definita in termini di qualche meccanismo dinamico. Questi concetti stanno cominciando a prendere piede nel campo della fisica teorica. Di fatto, gli esperimenti condotti presso LHC, che venne chiuso nel 2013 per eseguire una serie di manutenzioni, non hanno prodotto quelle particelle che i teorici hanno da sempre incluso nelle equazioni da più di 30 anni. Insomma, questo “flop” sembra suggerire che i ricercatori abbiano preso una strada sbagliata sin già a partire da qualche decina d’anni in particolare nel modo di calcolare la massa delle particelle. 

Il gigantesco problema con il bosone di Higgs

Il metodo della simmetria di scala risale al 1995 quando William Bardeen, un fisico teorico del Fermi National Accelerator Laboratory in Batavia,Illinois, dimostrò che la massa del bosone di Higgs e quella delle altre particelle del modello standard potevano essere calcolate come conseguenza della rottura spontanea della simmetria di scala. Ma all’epoca, l’approccio di Bardeen fu fallimentare. Il delicato sistema dei suoi calcoli si rovinò facilmente quando i ricercatori tentarono di incorporare nuove particelle, non ancora osservate, come quelle che sono state introdotte per spiegare l’enigmatica materia scura e la gravità. Gli scienziati utilizzarono un altro metodo, chiamato supersimmetria, che permetteva di predire in maniera naturale decine di nuove particelle, tra le quali anche quelle candidate per spiegare la natura della materia scura. Inoltre, la supersimmetria forniva una soluzione diretta ad un vecchio problema che fu subito sollevato quando venne formulato il modello standard. Utilizzando l’approccio classico nei calcoli numerici, le interazioni del bosone di Higgs con le altre particelle tendono ad aumentare la sua massa verso le scale più alte presenti nelle equazioni, portandosi dietro anche i valori della massa delle altre particelle. Ma la meccanica quantistica tende a rendere “democratiche”, per così dire, tutte le particelle e non importa se il modello standard sia la fine della storia. Tuttavia, i fisici credono che ben al di là del modello standard, cioè verso valori della massa che sono miliardi di miliardi di volte superiori alla cosiddetta “massa di Planck”, devono esistere delle “particelle giganti” associate alla gravità. Questi “giganti” dovrebbero aumentare la massa del bosone di Higgs attraendo la massa di ciascuna particella fino alla scala di Planck. Ma ciò non avviene e, invece, sembra emergere una sorta di gerarchia non naturale che separa le particelle più leggere del modello standard e la massa di Planck. Bardeen ha calcolato le masse delle particelle del modello standard utilizzando il metodo della simmetria di scala in modo tale che i valori della massa non si spostano verso valori più alti. Ne risulta che la particella leggera associata al bosone di Higgs emerge in maniera naturale, anche se non è ancora chiaro come lo scienziato abbia inserito nei suoi calcoli gli effetti gravitazionali della scala di Planck. Secondo la teoria della supersimmetria esiste per ogni particella una gemella che non è stata ancora osservata. Se per ogni particella (ad esempio l’elettrone) il bosone di Higgs incontra la gemella leggermente più pesante (la cosiddetta selettrone), gli effetti combinati si dovrebbero cancellare e ciò dovrebbe impedire alla massa di Higgs di aumentare verso valori decisamente elevati. In altre parole, la supersimmetria dovrebbe “proteggere”, si fa per dire, la massa ancora piccola ma non nulla del bosone di Higgs. Questa teoria sembrava il perfetto ingrediente mancante del modello standard per spiegare le masse delle particelle, così perfetto che alcuni teorici hanno dichiarato che senza la supersimmetria l’Universo non dovrebbe avere senso. Nonostante ciò, finora non abbiamo rivelato particelle supersimmetriche e ciò fa sì che Higgs non sia, in qualche modo, “protetto”. Uno degli obiettivi di LHC, non appena sarà entrato in funzione nel 2015, sarà quello di dare la caccia alle particelle supersimmetriche. Ad ogni modo, molti fisici sono convinti che la teoria non sia valida e anche nella recente conferenza internazionale sulla fisica delle alte energie (ICHEP 2014) tenutasi a Valencia, in Spagna, lo scorso mese i ricercatori hanno confermato il fatto che dall’analisi dei dati raccolti dagli esperimenti di LHC non emergono particolari evidenze sull’esistenza di particelle supersimmetriche né i dati favoriscono una teoria alternativa chiamata "technicolor". Dunque, le implicazioni di questi risultati sono enormi perché senza supersimmetria la massa del bosone di Higgs pare si riduca non per un effetto specchio ma a causa di effetti di cancellazione improbabili e casuali tra termini scollegati. In altre parole, la massa iniziale di Higgs sembra controbilanciare esattamente i contributi maggiori alla sua massa dovuti ai gluoni, ai quark, agli stati gravitazionali e a tutto il resto. Ma allora, se l’Universo risulta “improbabile”, esso deve essere uno dei tanti, cioè uno dei tanti universi-bolla che fanno parte di un infinito multiverso. Il fatto che osserviamo questo particolare universo-bolla non è dovuto al fatto che le sue proprietà lo rendono sensato ma al fatto che il suo particolare bosone di Higgs permette la formazione degli atomi e, perciò, anche l’emergere della vita. Negli altri universi-bolla, caratterizzati da bosoni di Higgs che hanno le dimensioni tipiche della scala di Planck, la vita non può esistere. Questa, però, non è una spiegazione sufficiente anche se il concetto di multiverso è diventato popolare negli ultimi anni. Un universo caratterizzato da cancellazioni improbabili elude ogni comprensione anche perchè l’esistenza di universi alieni, non raggiungibili, non può essere provata. Insomma, non è soddisfacente utilizzare l’idea di multiverso per spiegare delle cose che non comprendiamo. C’è da dire, poi, che i teorici tendono ad “aggiustare” le equazioni mettendoci qualcosa di extra per tener conto del bosone di Higgs e pare, comunque, che non sia il caso della supersimmetria. Insomma, oggi gli scienziati cominciano a chiedersi se esista un’altra simmetria, una teoria alternativa che non preveda l’esistenza di una enorme quantità di particelle che non osserviamo.

Combattere contro i fantasmi

Partendo dal lavoro di Bardeen, alcuni ricercatori come Alberto Salvio, Alessandro Strumia e Manfred Lindner, ora ritengono che la simmetria di scala possa rappresentare la migliore descrizione per spiegare il valore piccolo della massa di Higgs. Affinchè la teoria funzioni, essa deve tener conto di tutti i valori piccoli delle masse delle particelle del modello standard e di quelle enormi associate alla gravità. Nel solito modo di procedere con i calcoli, entrambe le scale sono poste inizialmente "a mano" e quando si connettono nelle equazioni esse tendono a bilanciarsi. Ma con il nuovo approccio, entrambe le scale devono emergere dinamicamente e separatamente dal nulla. Il fatto che la gravità potrebbe non influenzare la massa di Higgs sarebbe un risultato rivoluzionario. Una teoria formulata da Salvio e Strumia, chiamata “agravity”, ossia gravità adimensionale, potrebbe finora rappresentare la realizzazione più concreata dell’idea della simmetria di scala. Questa teoria combina le leggi della fisica su tutte le scale in un singolo quadro consistente in cui la massa di Higgs e quella di Planck emergono entrambe separatamente da effetti dinamici. Non solo, ma l’agravity offre una spiegazione sul perché l’Universo subì una fase di espansione rapida iniziale, l’inflazione cosmica. Infatti, secondo la teoria, la rottura della simmetria di scala avrebbe causato una espansione esponenziale della dimensione dello spaziotempo durante le primissime fasi iniziali della storia cosmica, subito dopo il Big Bang. Tuttavia, la teoria dell’agravity ha una falla: essa richiede l’esistenza di particelle strane chiamate “fantasmi”. Esse hanno "energie negative" o probabilità negative di esistere e portano confusione nelle equazioni del mondo quantistico. Ma le probabilità negative escludono l’interpretazione probabilistica della meccanica quantistica, perciò questa rimane una opzione terribile. Alcune teorie funzionano solo se le "particelle fantasma" si disaccoppiano, in qualche modo, dalle altre particelle e rimangono loro stesse. Secondo Strumia e Salvio, dati i vantaggi che offre la teoria dell’agravity, bisognerebbe dare una seconda possibilità alle "particelle fantasma". Di fatto, quando le antiparticelle vennero inizialmente inserite nelle equazioni, esse sembravano essere energia negativa, un nonsenso. Allo stesso modo, anche se le "particelle fantasma" possono rappresentare un nonsenso, forse potrebbe trovarsi una interpretazione sensata. Nel frattempo, altri gruppi stanno proponendo teorie alternative della simmetria di scala. Ad esempio, Lindner e colleghi propongono un modello che implica l’esistenza di un “settore inesplorato” di particelle mentre altri, guidati da Bardeen, Joe Lykken, Marcela Carena, Martin Bauer e Wolfgang Altmannshofer affermano in un recente articolo che le scale del modello standard e della gravità siano separate da una transizione di fase. Gli scienziati hanno individuato una valore critico della massa dove il bosone di Higgs non interagisce con le altre particelle facendo così annullare la loro massa. Ed è proprio in questo punto che avviene un cambiamento di fase. Così come l’acqua si comporta in modo diverso rispetto al ghiaccio, diversi insiemi di legge fisiche autoconsistenti operano sopra e sotto il punto critico. Ma i nuovi modelli richiedono una tecnica di calcolo che alcuni esperti considerano matematicamente dubbiosa. Insomma, è troppo diversa e nuova. Comunque sia, l’agravity e agli altri modelli sulla simmetria di scala prevedono l’esistenza di nuove particelle oltre il modello standard perciò i prossimi esperimenti presso LHC potranno fornire preziosi indizi per verificare queste idee innovative. Nel frattempo c’è un senso di speranza anche se qualcuno pensa che, forse, la nostra matematica sia sbagliata. Però, se l’alternativa dovesse essere rappresentata dal multiverso, allora si tratta certamente di un passo molto drastico e quindi non ci rimarrà altro che vedere cosa ci riserverà la Natura.

Simons Foundation: At Multiverse Impasse, a New Theory of Scale
Simons Foundation: As Supersymmetry Fails Tests, Physicists Seek New Ideas
AstronomicaMens: NO SIGN OF SUPERSYMMETRY YET FROM LHC DATA

AstronomicaMens: L’Universo potrebbe non essere ‘naturale’

arXiv: Electroweak and Conformal Symmetry Breaking by a Strongly Coupled Hidden Sector

arXiv: Agravity

arXiv: Light Dark Matter, Naturalness, and the Radiative Origin of the Electroweak Scale