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0384. Che cosa si intende per supermondo?

Ho letto con entusiamo e piacere il libro Perché credo in colui che ha fatto il mondo. Mi é piaciuto anche per i vari punti da discutere. Una cosa non ho capito: che cosa si intenda per “Supermondo”, potete chiarirmi le idee? (Claudio Filanti) (2285_3256_5656)

sem_esperto_verdeIl termine Supermondo è stata introdotto da Antonino Zichichiicona_biografia , intendendo con questo termine gli sviluppi più recenti della Fisica sub-nucleare, in particolare la Teoria della Supersimmetria, le Extra Dimensioni e la Teoria delle Stringhe (*).

Per illustrare, sia pure brevemente, in cosa consistono questi sviluppi occorre riassumere lo stato attuale delle conoscenze in Fisica sub-nucleare, che va sotto il nome di Modello Standard . Il Modello Standard è per ora in accordo con tutti i dati sperimentali a disposizione. In effetti c’è un’eccezione non trascurabile. Le osservazioni astronomiche indicano che dovrebbe esistere una quantità di materia nell’Universo dieci volte più grande di quella che osserviamo, che sembra interagire solo per via gravitazionale e di cui non sappiamo null’altro per ora (la cosiddetta Materia Oscura ).

Nel Modello Standard si assume l’esistenza di un certo numero di particelle elementari, puntiformi, divise in due categorie, fermioni icona_glossario e bosoni icona_glossario. I fermioni elementari si dividono a loro volta in due categorie: i componenti di ciò che chiamiamo materia, ovvero i leptoni (tra cui l’elettrone icona_glossario e il neutrino icona_glossario ) e i quark (i componenti elementari di protoniicona_glossario, neutroni icona_glossario e mesoniicona_glossario). I bosoni elementari sono i componenti di ciò che chiamiamo campi di forza: il fotone icona_glossario (il quanto componente della luce), il W+, W- e lo Z0 detti bosoni intermedi icona_glossario (sono i quanti delle interazioni deboli associati al decadimento beta e al decadimento dei mesoni) ed il gravitone icona_glossario (il quanto associato alla gravità).

scienzapertutti_antimateria_materia

Ricordiamo che esistono due categorie di particelle: particella-massa (fermioni elementari) e particella-interazione (bosoni elementari). La ragione di essere di queste è l’origine prima del Supermondo.

sem_esperto_gialloSecondo la Meccanica Quantistica le particelle elementari ed i loro composti, una volta fissati i loro numeri quantici, devono essere tutti identici e indistinguibili dalle nostre misure. Ciò vuol dire che, prese due di queste particelle identiche, si devono ottenere gli stessi risultati se le due particelle, in due stati diversi, vengono scambiate tra di loro. Poiché in Meccanica Quantistica le quantità misurabili sono i moduli quadri delle funzioni d’onda, quanto detto si interpreta dicendo che nella operazione di scambio ci sono due possibilità: la funzione d’onda resta invariata o cambia segno (in entrambi i casi il modulo quadro è lo stesso). A seconda che la funzione d’onda cambi segno o no nello scambio, abbiamo fermioni o bosoni. Come conseguenza due fermioni non possono essere nello stesso stato e perciò la materia, costituita di fermioni, è compatta.

Il Modello Standard non stabilisce nessuna relazione tra i fermioni ed i bosoni elementari, non predice le loro masse e nemmeno il perché delle diverse intensità delle forze fondamentali, ovvero delle costanti di accoppiamento, che legano i fermioni ai bosoni. Nel Modello Standard si assume che la massa dei bosoni e dei fermioni sia dovuta alla interazione con un bosone particolare, ipotizzato dal fisico inglese Peter Higgs (detto appunto bosone di Higgs). Il bosone di Higgs (anche detto da alcuni divulgatori “particella di Dio”) avrebbe gli stessi numeri quantici del vuoto (che ne sarebbe quindi modificato). L'energia che si raggiunge con l'acceleratore del CERN, il cosiddetto Large Hadron Collider (LHC), è largamente sufficiente per osservarlo sperimentalmente. La forza di gravità non è considerata nel Modello Standard, essendo assolutamente trascurabile al livello elementare e alle energie attuali. Tuttavia, se si tiene conto la Relatività Generale, è l’energia e non la massa che deve essere considerata nella legge di gravità. Ad un' energia estremamente grande, detta energia di Planck (irraggiungibile sperimentalmente), la forza di gravità sarà paragonabile alle altre forze. Energie sempre più elevate corrispondono all’esplorazione di lunghezze sempre più piccole e così si può definire una lunghezza di Planck (al disotto della quale potrebbe anche perdere senso il concetto di spazio continuo). Si può dedurre, ed è confermato dai dati sperimentali disponibili, che anche le altre forze variano con le energie in giuoco, secondo il Modello Standard, in modo tale che ad una energia altissima esse sembrano convergere approssimativamente allo stesso valore. Questa energia, guarda caso, è molto vicina all'energia di Planck.

sem_esperto_rossoIn pratica, nel Modello Standard tutti i calcoli sono fatti per approssimazioni successive e, sorprendentemente, la prima approssimazione è sempre molto vicina al dato sperimentale. Nel calcolo delle approssimazioni successive compaiono delle quantità infinite. Per molte di queste quantità si è trovato che ci sono in realtà delle cancellazioni che le eliminano. In diversi casi è stata addirittura predetta l’esistenza di nuove particelle al fine di cancellare questi termini infiniti e sono poi state osservate sperimentalmente (come le particelle cosiddette “charm”). Questo innegabile grande successo, così come l’innegabile evidenza di una tendenza all'unificazione delle forze alla energia di Planck, spinge a proseguire in questa direzione. Ci sono tuttavia ancora dei termini infiniti non cancellabili, legati al bosone di Higgs e alla enorme differenza tra le masse dei bosoni noti e l’energia di Planck. Per risolvere questi problemi, ancora una volta appunto con il meccanismo delle cancellazioni, è stata predetta l’esistenza di una nuova simmetria, detta Supersimmetria, per la quale ad ogni fermione corrisponde un bosone, con le stesse costanti di accoppiamento. Nessuno dei bosoni noti ubbidisce a questa regola, per cui le particelle supersimmetriche, se esistono, devono avere una massa molto grande, forse potrebbero essere prodotte all’acceleratore LHC quando sarà reggiunta la sua energia massima (14 TeV). Un aspetto allettante di questa teoria è che la particella supersimmetrica più leggera sarebbe stabile e avrebbe tutte le proprietà per spiegare l'esistenza della Materia Oscura. Inoltre, tra le particelle supersimmetriche si inserirebbe in modo naturale il gravitone, il quanto della interazione gravitazionale. Se le particelle supersimmetriche avessero masse comparabili con le energie che si raggiungeranno con l’acceleratore LHC, l'unificazione delle forze attorno all'energia di Planck sarebbe soddisfatta in maniera esatta. Tuttavia, anche nel caso che le particelle supersimmetriche siano osservate, dei termini infiniti (o non calcolabili) nel calcolo delle approssimazioni successive sono ancora presenti. Questi problemi nascono in ultima analisi dalla ipotesi di particelle elementari puntiformi e dal fatto che alle energie di Planck si deve unificare la Meccanica Quantistica con la Relatività Generale.

sem_esperto_giallo Sono state fatte due ipotesi per risolvere questi problemi: Esistono extra-dimensioni nascoste, per così dire arrotolate e piccolissime forse come la lunghezza di Planck; la diversa intensità delle forze sarebbe dovuta al fatto che una larga parte della loro azione è appunto nascosta in queste extra-dimensioni; in particolare Kaluza, già negli anni ’20, dimostrò che, se esistesse una quinta dimensione arrotolata, con un raggio dell’ordine della lunghezza di Planck, l’elettromagnetismo sarebbe la manifestazione delle deformazioni prodotte, in questa dimensione, dalle cariche elettriche, così come la gravità è generata dalle deformazioni dello spazio-tempo quadridimensionale prodotte dalle masse. Le particelle elementari non sono puntiformi, ma sono delle stringhe , comparabili alla lunghezza di Planck, aperte o chiuse, in uno spazio a 11 dimensioni o più. La Teoria delle Stringhe viene anche chiamata Teoria del Tutto, sulla base della sua (apparente) potenza predittiva,

sem_esperto_verde Queste teorie, estremamente affascinanti, non hanno prodotto sinora predizioni verificabili sperimentalmente. Esse sono legate alla necessità di mettere assieme Meccanica Quantistica e Relatività Generale e le conseguenze sperimentali di una simile teoria sono praticamente inosservabili con le tecniche attuali e del prossimo futuro (a meno ovviamente di una nuova, brillante idea). Il Supermondo è appunto l’insieme inanellato di tutte queste teorie collegate in cascata tra loro: il Supermondo presuppone sia l’esistenza del Bosone di Higgs, sia delle particelle supersimmetriche, sia di dimensioni nascoste arrotolate. Il parere di chi scrive è che, in assenza di nuovi dati sperimentali, la teoria ha proceduto in totale anarchica libertà in assenza dei dati sperimentali a guidarla, modularla e contenerla. Fortunatamente LHC è finalmente in funzione. Come sempre la concretezza dei dati porterà i fisici teorici a scendere a patti con la natura e darci teorie realistiche. Inoltre questo meccanismo dovrebbe essere presente in diversi casi e in modo diverso, producendo quindi più di un bosone di Higgs. In effetti l’esistenza o meno del bosone di Higgs è legata alla comprensione dello stato di vuoto. Questo problema è intimamente legato alla Cosmologia, ovvero al modo in cui il nostro Universo si è formato. Analogamente le particelle supersimmetriche potrebbero non esistere affatto. E’ paradossale che nessuna delle particelle supersimmetriche sia stata osservata e attualmente non esista nessuna spiegazione plausibile del fatto che debbano essere così pesanti. Sono inoltre in cantiere nuovi esperimenti per capire la natura della Materia Oscura, e per comprovarne o meno l’esistenza sotto forma di nuove particelle e nuove interazioni.

(Rinaldo Baldini Ferroli – Fisico)

(*) Nota redazionale SxT: La Teoria delle Stringhe (Corde), se troverà conferma nei dati sperimentali, costituirà uno di quei casi in cui la teoria matematica ha descritto un fatto prima della sua scoperta . Non sarebbe l’unico nella storia della fisica moderna. Tutto ciò è già avvenuto, ad esempio, con il positrone, l’antiparticella dell’elettrone prevista da Dirac sulla base di principi di simmetria, prima che venisse scoperta da Anderson nei prodotti delle interazioni dei raggi cosmici. I nostri web-nauti possono rivisitare questo evento in un’altra delle risposte dell'Esperto.


 

 

 

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