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Nel 2012, con la conferma della scoperta del bosone di Higgs al Large Hadron Collider del CERN, il Modello Standard (SM) era, in teoria, completo. Ogni particella prevista era stata trovata. Le sue equazioni avevano superato ogni test sperimentale con una precisione straordinaria.
Tuttavia, l’atmosfera nella fisica non era di chiusura, ma di incompletezza. Come le leggi di Newton prima di Einstein o la fisica classica prima della meccanica quantistica, il Modello Standard era troppo efficace nelle scale che possiamo testare, ma incapace di rispondere a domande più profonde. Era una mappa quasi perfetta, ma solo di una piccola parte del paesaggio.
L’omissione più evidente è la gravità.
Questo è più di una semplice dimenticanza. La relatività generale tratta la gravità come la curvatura dello spazio-tempo, un campo geometrico liscio, mentre l’SM tratta le forze come campi quantistici mediati da particelle. I tentativi di quantizzare la gravità nello stesso modo generano infiniti che non possono essere rinormalizzati.
Il Modello Standard e la RG sono come due sistemi operativi diversi: brillanti nei loro rispettivi domini, ma fondamentalmente incompatibili. Riconciliarli è forse la sfida più grande della fisica odierna.
L’SM prevede che i neutrini non abbiano massa. Tuttavia, esperimenti, a partire dal rivelatore Super-Kamiokande in Giappone (1998) e confermati a livello globale, hanno dimostrato che i neutrini oscillano tra sapori (elettronico, muonico, tau). Le oscillazioni richiedono massa.
Questa fu la prima prova confermata di fisica oltre il Modello Standard. La scoperta valse il Premio Nobel nel 2015 a Kajita e McDonald.
I neutrini sono estremamente leggeri, almeno un milione di volte più leggeri dell’elettrone. Le loro masse non sono spiegate dall’SM, ma potrebbero suggerire nuova fisica, come il meccanismo a bilancia, neutrini sterili o connessioni con l’universo primordiale. In alcuni scenari, i neutrini pesanti a bilancia consentono la leptogenesi, dove si crea un’asimmetria di leptoni nell’universo primordiale, che poi si trasforma nell’asimmetria materia-antimateria osservata.
La materia visibile descritta dall’SM costituisce meno del 5% dell’universo. Il resto è invisibile.
Le teorie propongono nuove particelle: WIMP (particelle massive a interazione debole), assioni, neutrini sterili o qualcosa di più strano. Ma nonostante decenni di ricerche – rivelatori sotterranei, esperimenti con collisionatori, studi astrofisici – la materia oscura rimane sfuggente.
Ancora più misteriosa è l’energia oscura, la forza che guida l’espansione accelerata dell’universo.
Questo problema della costante cosmologica è forse il conflitto più acuto tra la teoria dei campi quantistici e la gravità. Il Modello Standard non ha nulla da dire sull’energia oscura. È un vuoto enorme nella nostra comprensione del cosmo.
Un altro enigma profondo risiede nel bosone di Higgs stesso.
La massa del Higgs è misurata a 125 GeV. Ma le correzioni quantistiche dovrebbero spingerla verso la scala di Planck (\(10^{19}\) GeV), a meno che non si verifichino cancellazioni miracolose. Perché è così leggera rispetto alle scale energetiche naturali della gravità?
Questo è il problema della gerarchia: il Higgs sembra essere finemente regolato in modo anomalo. I fisici sospettano nuova fisica, come la supersimmetria (SUSY), che potrebbe stabilizzare la massa del Higgs introducendo particelle partner che cancellano le correzioni pericolose. (I dibattiti sulla naturalità includono idee che vanno da soluzioni dinamiche a ragionamenti antropici in un possibile “paesaggio” di vuoti.)
L’SM include una certa violazione CP, ma non abbastanza per spiegare perché l’universo attuale è pieno di materia invece di quantità uguali di materia e antimateria. Come accennato sopra, meccanismi come la leptogenesi (spesso legati all’origine delle masse dei neutrini a bilancia) offrono un percorso convincente in cui la fisica oltre l’SM inclina la bilancia.
Il Modello Standard è talvolta chiamato “la teoria più riuscita della fisica”. Le sue previsioni corrispondono agli esperimenti fino a 10-12 decimali. Spiega quasi tutto ciò che vediamo negli acceleratori di particelle e nei laboratori.
Ma è incompleto:
I fisici si trovano ora di fronte a un momento familiare nella storia. Proprio come la meccanica di Newton ha lasciato il posto alla relatività, e la fisica classica alla meccanica quantistica, il Modello Standard deve infine cedere il passo a qualcosa di più profondo.
L’obiettivo finale è una Grande Teoria Unificata (GUT) o addirittura una Teoria del Tutto (ToE): un quadro che unifica le quattro forze, spiega tutte le particelle e funziona coerentemente dalle scale più piccole (gravità quantistica) a quelle più grandi (cosmologia).
Questo è il Santo Graal della fisica moderna. È per questo che i ricercatori spingono i collisori a energie più alte, costruiscono rivelatori di neutrini massicci, mappano il cosmo con telescopi e inventano nuove matematiche audaci.
I capitoli successivi esploreranno i principali candidati:
Ognuna di queste idee non è nata come dogma, ma come scienza al suo meglio: notare crepe, costruire nuove teorie e testarle contro la realtà.
La fisica ha una lunga storia di unificazione attraverso la simmetria. Le equazioni di Maxwell hanno unificato elettricità e magnetismo. La relatività speciale ha unificato spazio e tempo. La teoria elettrodebole ha unificato due delle quattro forze fondamentali. Ogni progresso è derivato dalla scoperta di una simmetria nascosta nella natura.
La supersimmetria – o SUSY, come la chiamano affettuosamente i fisici – è la proposta audace che la prossima grande simmetria collega due categorie di particelle apparentemente distinte: materia e forze.
Nel Modello Standard, le particelle si dividono in due grandi famiglie:
Fermioni (spin 1/2): Includono quark e leptoni, i mattoni della materia. Il loro spin semi-intero significa che obbediscono al principio di esclusione di Pauli: due fermioni identici non possono occupare lo stesso stato. Questo spiega perché gli atomi hanno gusci strutturati e perché la materia è stabile.
Bosoni (spin intero): Includono fotoni, gluoni, bosoni W e Z, e il Higgs. I bosoni mediano le forze. A differenza dei fermioni, possono accumularsi nello stesso stato, il che spiega l’esistenza dei laser (fotoni) e dei condensati di Bose–Einstein.
In breve: i fermioni formano la materia, i bosoni trasportano le forze.
La supersimmetria propone una simmetria che collega fermioni e bosoni. Per ogni fermione noto, esiste un partner bosonico. Per ogni bosone noto, un partner fermionico.
(“Fotino” e “zino” sono soprannomi più vecchi per stati propri di gauge; gli esperimenti cercano in realtà gli stati propri di massa menzionati sopra.)
Perché proporre un tale raddoppio radicale del mondo delle particelle? Perché SUSY promette soluzioni eleganti ad alcuni dei problemi più profondi lasciati dal Modello Standard.
Uno dei maggiori richiami di SUSY è la sua capacità di affrontare il problema della gerarchia: perché il bosone di Higgs è così leggero rispetto alla scala di Planck.
Nel Modello Standard, le correzioni quantistiche delle particelle virtuali dovrebbero spingere la massa del Higgs verso valori enormi. La supersimmetria introduce sparticole le cui contribuzioni cancellano queste divergenze. Risultato: la massa del Higgs è naturalmente stabilizzata, senza regolazioni fini (almeno negli spettri SUSY “naturali”).
Un’altra motivazione per SUSY viene dall’unificazione delle forze.
Ciò suggerisce che a energie estremamente elevate, le tre forze potrebbero fondersi in una sola Grande Teoria Unificata (GUT).
La supersimmetria fornisce anche un candidato naturale per la materia oscura.
Se SUSY è corretta, una delle sparticole dovrebbe essere stabile ed elettricamente neutra. Un candidato principale è il neutralino più leggero, una miscela di bino, wino e higgsini.
I neutralini interagirebbero solo debolmente, adattandosi al profilo dei WIMP (particelle massive a interazione debole). Se scoperti, potrebbero spiegare il 27% mancante della materia dell’universo.
Per decenni, i fisici speravano che le particelle supersimmetriche apparissero appena sopra le scale energetiche già esplorate.
L’assenza di scoperte SUSY al LHC è stata deludente. Molte delle versioni più semplici di SUSY, come il “Modello Standard supersimmetrico minimo” (MSSM), sono ora fortemente vincolate. Gli spettri “naturali” sono spinti verso masse più alte, il che implica più regolazioni fini se SUSY esiste vicino alla scala dei TeV.
Tuttavia, SUSY non è stata esclusa. Modelli più elaborati prevedono sparticole più pesanti o più sottili, forse fuori dalla portata del LHC, o con interazioni troppo deboli per essere facilmente rilevate.
Oltre alle sue motivazioni fenomenologiche, SUSY ha una profonda eleganza matematica.
Anche se la natura non realizza SUSY a energie accessibili, la sua matematica ha già arricchito la fisica.
Oggi, SUSY occupa una posizione curiosa.
Se il LHC e i suoi successori non trovano nulla, SUSY potrebbe realizzarsi solo a scale energetiche ben oltre la nostra portata – o forse la natura ha scelto un percorso completamente diverso.
La supersimmetria illustra il metodo scientifico in azione.
I fisici hanno identificato problemi: la questione della gerarchia, l’unificazione, la materia oscura. Hanno proposto una nuova simmetria audace che li risolve tutti. Hanno progettato esperimenti per testarla. Finora, i risultati sono negativi – ma ciò non significa che l’idea sia stata uno spreco. SUSY ha affinato i nostri strumenti, chiarito ciò che cerchiamo e guidato generazioni di ricerche.
Come l’etere o gli epicicli prima di essa, SUSY potrebbe rivelarsi un trampolino verso una verità più profonda, che sopravviva come ultima parola o meno.
La fisica oltre il Modello Standard è spesso motivata da correzioni: risolvere il problema della gerarchia, spiegare la materia oscura, unificare gli accoppiamenti gauge. La teoria delle stringhe è diversa. Non inizia con un puzzle particolare. Inizia invece con la matematica – e finisce per riformulare tutta la nostra concezione di spazio, tempo e materia.
La teoria delle stringhe, sorprendentemente, non è iniziata come una teoria di tutto, ma come un tentativo fallito di comprendere la forza nucleare forte.
Alla fine degli anni ’60, prima che la QCD fosse completamente sviluppata, i fisici cercavano di spiegare lo zoo dei hadroni. Notarono schemi nei dati di scattering che suggerivano che le risonanze potessero essere modellate da stringhe vibranti.
Il “modello di risonanza duale”, introdotto da Veneziano nel 1968, descriveva le interazioni forti come se gli adroni fossero eccitazioni di minuscole stringhe. Era elegante ma rapidamente abbandonato una volta che la QCD emerse come la vera teoria della forza forte.
Tuttavia, la teoria delle stringhe si rifiutò di morire. Nascoste nelle sue equazioni c’erano caratteristiche notevoli che sembravano puntare ben oltre la fisica nucleare.
Quando i teorici quantizzarono le vibrazioni delle stringhe, scoprirono che lo spettro includeva inevitabilmente una particella senza massa con spin 2.
Questo fu scioccante. La teoria dei campi quantistici aveva dimostrato che una particella senza massa con spin 2 è unica: deve essere il quanto della gravità, il gravitino.
Come notò successivamente John Schwarz: “Ma emerse un fatto sorprendente: la matematica della teoria delle stringhe conteneva inevitabilmente una particella senza massa con spin 2 – un gravitino.”
Ciò che era iniziato come una teoria degli adroni aveva accidentalmente prodotto il mattone della gravità quantistica.
Al centro della teoria delle stringhe, le particelle puntiformi sono sostituite da minuscoli oggetti unidimensionali: stringhe.
Le stringhe possono essere aperte (con due estremità) o chiuse (anelli).
Diversi modi di vibrazione della stringa corrispondono a diverse particelle.
Questo semplice cambiamento – da punti a stringhe – risolve molti degli infiniti che affliggono la gravità quantistica. La dimensione finita della stringa sfuma le interazioni che altrimenti esploderebbero a distanza zero.
Le prime versioni della teoria delle stringhe avevano problemi: contenevano tachioni (instabilità) e richiedevano caratteristiche non realistiche. La svolta arrivò con l’introduzione della supersimmetria, portando alla teoria delle superstringhe negli anni ’70 e ’80.
Le superstringhe eliminarono i tachioni, incorporarono i fermioni e portarono una nuova coerenza matematica.
Ma c’era un problema: la teoria delle stringhe funziona solo in dimensioni superiori. Specificamente, 10 dimensioni dello spazio-tempo.
Questa idea, per quanto radicale possa sembrare, non era del tutto nuova. Negli anni ’20, la teoria di Kaluza–Klein aveva già suggerito che dimensioni extra potevano unificare gravità ed elettromagnetismo. La teoria delle stringhe rianimò e ampliò enormemente questa idea.
A metà degli anni ’80, i fisici scoprirono che la teoria delle stringhe non era unica, ma si presentava in cinque versioni distinte:
Ciascuna sembrava matematicamente coerente, ma perché la natura dovrebbe sceglierne una?
Nel 1984, Michael Green e John Schwarz dimostrarono che la teoria delle stringhe poteva automaticamente cancellare le anomalie quantistiche – qualcosa che le teorie dei campi quantistici dovevano progettare con cura. Questa scoperta scatenò la prima rivoluzione delle superstringhe, con migliaia di fisici che si rivolsero alla teoria delle stringhe come candidata per una teoria unificata di tutte le forze.
Fu il primo quadro serio in cui la gravità quantistica non era solo coerente, ma inevitabile.
A metà degli anni ’90, si sviluppò una seconda rivoluzione. Edward Witten e altri scoprirono che le cinque teorie delle stringhe diverse non erano rivali, ma limiti diversi di una singola teoria più profonda: la teoria M.
Si ritiene che la teoria M esista in 11 dimensioni e includa non solo stringhe, ma oggetti di dimensione superiore chiamati brane (abbreviazione di membrane).
Queste brane diedero origine a nuove possibilità ricche: interi universi potrebbero esistere come 3-brane fluttuanti in uno spazio di dimensione superiore, con la gravità che si diffonde nel volume mentre le altre forze rimangono confinate. Questa immagine ispirò modelli moderni di dimensioni extra come Randall–Sundrum.
Kaluza–Klein (anni ’20): Propose una quinta dimensione extra per unificare gravità ed elettromagnetismo. L’idea fu accantonata per decenni, ma la teoria delle stringhe la rianimò in una forma più grandiosa. Le dimensioni extra compattate rimangono una caratteristica centrale dei modelli di stringhe.
Randall–Sundrum (1999): Propose dimensioni extra “deformate”, in cui il nostro universo è una 3-brana incorporata in dimensioni superiori. La gravità si propaga nel volume, spiegando perché è più debole delle altre forze. Tali modelli prevedono possibili segnali nei collisori di particelle o deviazioni dalla legge di Newton a distanze molto brevi.
La teoria delle stringhe fa affermazioni audaci, ma testarle è straordinariamente difficile.
Nonostante le sfide, la teoria delle stringhe ha fornito un terreno fertile per la matematica, ispirando progressi in geometria, topologia e dualità come AdS/CFT (che collega la gravità in dimensioni superiori alla teoria dei campi quantistici senza gravità).
I sostenitori sostengono che la teoria delle stringhe è il percorso più promettente verso una teoria unificata: include la gravità quantistica, unifica tutte le forze e spiega perché deve esistere un gravitino.
I critici sostengono che senza conferme sperimentali, la teoria delle stringhe rischia di scollegarsi dalla scienza empirica. Il suo vasto “paesaggio” di soluzioni possibili (fino a \(10^{500}\)) rende difficile estrarre previsioni uniche.
Entrambe le parti concordano su una cosa: la teoria delle stringhe ha cambiato il modo in cui pensiamo alla fisica, fornendo un nuovo linguaggio per l’unificazione.
Se la supersimmetria è il prossimo passo oltre il Modello Standard, la teoria delle stringhe è il passo successivo: una candidata per la tanto ricercata Teoria del Tutto.
La sua affermazione più audace non è solo che include il Modello Standard e la gravità, ma che questi sono conseguenze inevitabili di stringhe vibranti in dimensioni superiori. Il gravitino non è un’aggiunta – è integrato.
Resta da scoprire se la natura ha scelto questo percorso.
Le teorie sono la linfa della fisica, ma gli esperimenti sono il suo battito cardiaco. La supersimmetria, la teoria delle stringhe e le dimensioni extra sono costruzioni matematiche bellissime, ma vivono o muoiono per le prove. Se devono essere più che speculazioni, devono lasciare impronte nei dati.
I fisici hanno ideato modi ingegnosi per cercare queste impronte – nei collisori, nel cosmo e nella struttura stessa dello spazio-tempo.
Il Large Hadron Collider (LHC) al CERN è l’acceleratore di particelle più potente al mondo, che fa collidere protoni a energie fino a 13,6 TeV (design: 14 TeV). È stato lo strumento principale dell’umanità per esplorare la fisica oltre il Modello Standard.
Alcune teorie suggeriscono che se la gravità diventa forte alla scala dei TeV, minuscoli buchi neri potrebbero formarsi nelle collisioni dell’LHC, evaporando in raffiche di particelle. Nessun evento del genere è stato osservato.
Se esistono dimensioni extra, la legge di gravità di Newton potrebbe rompersi a distanze brevi.
Questi esperimenti da tavolo sono notevolmente sensibili, esplorando scale inaccessibili ai collisori.
La scoperta delle onde gravitazionali da parte di LIGO nel 2015 ha aperto una nuova frontiera.
Finora, le osservazioni sono coerenti con la RG entro le incertezze attuali, ma una maggiore precisione potrebbe rivelare sorprese.
Il cosmo stesso è l’acceleratore di particelle definitivo.
Finora, il cielo è silenzioso. La materia oscura rimane non rilevata, e i dati cosmologici si adattano al modello ΛCDM senza chiare impronte di stringhe.
Decenni di ricerche non hanno confermato SUSY, dimensioni extra o segnali di stringhe. Ma l’assenza di prove non è prova di assenza:
Alcune anomalie di precisione (ad esempio, la misura del (g-2) del muone e alcune tensioni nella fisica dei sapori) rimangono intriganti ma irrisolte; motivano un continuo scrutinio senza ancora sovvertire l’SM.
Ciò che gli esperimenti hanno fatto è restringere lo spazio dei parametri. Ci hanno detto dove SUSY non è, quanto piccole devono essere le dimensioni extra e quanto fortemente la materia oscura può o non può interagire.
I futuri esperimenti promettono di esplorare più a fondo:
La storia sperimentale della fisica oltre il Modello Standard non è di fallimento, ma di processo.
Proprio come l’esperimento della lamina d’oro di Rutherford ha distrutto il modello del budino di prugne, o LIGO ha dissipato i dubbi sulle onde gravitazionali, la prossima grande scoperta potrebbe arrivare improvvisamente – e cambiare tutto.
Per secoli, la fisica è avanzata attraverso l’unificazione. Newton unificò i cieli e la Terra sotto una legge di gravitazione. Maxwell unificò elettricità e magnetismo. Einstein unificò spazio e tempo. La teoria elettrodebole dimostrò che due forze molto diverse sono aspetti di una sola.
Il prossimo passo è il più audace finora: unificare le quattro interazioni fondamentali – forte, debole, elettromagnetica e gravitazionale – in un quadro unico e coerente. Questo è il Santo Graal della fisica: la Teoria del Tutto (ToE).
Un’unificazione completa non è solo un’eleganza filosofica; affronta problemi pratici e concettuali profondi:
Una ToE non unificherebbe solo le forze – unificherebbe le scale, dalle stringhe più piccole della teoria quantistica alle strutture cosmiche più grandi.
La supersimmetria (SUSY), se realizzata in natura, fornisce un trampolino verso una ToE.
Le GUT ispirate a SUSY (come SU(5), SO(10) o E₆) immaginano che a energie ultra-alte, quark e leptoni si unifichino in multipleti più grandi, e le forze si fondono in un unico gruppo gauge.
Ma SUSY non è ancora apparsa negli esperimenti. Se esiste solo a scale oltre la nostra portata, il suo potere unificante potrebbe rimanere allettante ma nascosto.
La teoria delle stringhe va oltre. Invece di rattoppare il Modello Standard, riscrive le fondamenta:
In questa visione, l’unificazione non è un caso – è geometria. Le forze differiscono perché le stringhe vibrano in modi diversi, modellati dalla topologia delle dimensioni extra.
La scoperta che le cinque teorie delle stringhe sono connesse da dualità ha portato alla teoria M, un quadro ancora più grandioso:
La teoria M è ancora incompleta, ma rappresenta il passo più ambizioso mai tentato verso una ToE.
La teoria delle stringhe e la teoria M non sono gli unici percorsi. I fisici stanno esplorando molteplici quadri, ciascuno con punti di forza diversi:
Sebbene nessuno rivaleggi ancora con l’ampiezza unificatrice della teoria delle stringhe, esemplificano la ricchezza della ricerca.
Una ToE deve essere infine testabile. Sebbene la scala di Planck sia ben oltre gli esperimenti attuali, i fisici cercano prove indirette:
Finora, la ToE rimane fuori portata, ma ogni risultato nullo pota le possibilità.
Una vera ToE non unificherebbe solo la fisica – unificherebbe la conoscenza umana. Collegherebbe la meccanica quantistica e la relatività, il micro e il macro, la particella e il cosmo.
Tuttavia, affronta un paradosso: la scala stessa in cui avviene l’unificazione potrebbe essere per sempre fuori dalla portata sperimentale. Un collisore da 100 TeV esplora solo una frazione del percorso verso la scala di Planck. Potremmo dover fare affidamento sulla cosmologia, la coerenza matematica o le firme indirette.
Il sogno rimane vivo grazie alla profonda eleganza dei quadri. Come ha notato Witten, la teoria delle stringhe non è solo “un insieme di equazioni” ma “un nuovo quadro per la fisica”.
La ricerca di una ToE non riguarda il dichiarare la teoria delle stringhe, SUSY o qualsiasi idea singolare come “vera”. Riguarda il metodo scientifico:
La storia è lungi dall’essere finita. Ma è proprio questa apertura – il rifiuto di trattare qualsiasi teoria come sacra – che rende la fisica una scienza viva, non un dogma.
Il prossimo secolo di fisica potrebbe rivelare:
O forse la vera ToE è qualcosa che nessuno ha ancora immaginato.
Ma la ricerca stessa – l’impulso a unificare, spiegare, vedere la natura nella sua interezza – è parte dell’umanità tanto quanto le equazioni stesse.