Supersimmetria: Particelle elementari e materia oscura

La supersimmetria è un’elegante teoria che però continua a fallire nei test sperimentali. I fisici discutono se cambiare rotta. Cosa riserva il futuro per la fisica delle particelle?

Teoria della supersimmetria

Un giovane teorico a Mosca nel 1982, Mikhail Shifman rimase affascinato da un’elegante nuova teoria chiamata supersimmetria che tentava di incorporare le particelle elementari conosciute in un inventario più completo dell’universo. “I miei documenti di quel tempo sono davvero entusiasmanti”, ha detto Shifman, ora, professore dell’Università del Minnesota. Nel corso dei decenni, lui e migliaia di altri fisici svilupparono l’ipotesi della supersimmetria, sicuri che gli esperimenti lo avrebbero confermato. “Ma la natura apparentemente non lo vuole”, ha detto. “Almeno non nella sua forma semplice originale.”

Supersimmetria

Supersimmetria

I fisici che studiano le particelle devono affrontare una scelta difficile; seguire la pista lunga decenni che i loro mentori hanno iniziato, adottando versioni sempre più forzate di supersimmetria, o continuare da soli. “È una domanda difficile che molti di noi stanno cercando ancora di non rispondere”, ha detto Adam Falkowski, un fisico teorico delle particelle dell’Università di Parigi-Sud a Orsay, in Francia. “In nessun modo si può davvero definirlo incoraggiante”, ha detto Stephen Martin, un fisico di particelle ad alta energia presso l’Università dell’Illinois settentrionale che lavora sulla supersimmetria.

La supersimmetria nel panorama della fisica e la materia oscura

La supersimmetria ha dominato il panorama della fisica delle particelle per decenni, con l’esclusione di tutte le teorie alternative della fisica oltre al Modello standard. “È difficile esagerare quanto i fisici delle particelle degli ultimi trent’anni hanno fatto ipotesi. Quindi, il fallimento dell’idea avrà importanti implicazioni per il campo”, ha detto Peter Woit, un teorico delle particelle e matematico alla Columbia University.

Mappa tridimensionale della materia oscura

Mappa tridimensionale della materia oscura

La teoria è allettante per tre ragioni principali; prevede l’esistenza di particelle che potrebbero costituire “materia oscura“. Una sostanza invisibile che permea la periferia delle galassie. Unifica tre delle forze fondamentali ad alte energie. Questa, è di gran lunga la più grande motivazione per studiare la supersimmetria. Potrebbe risolve un enigma in fisica noto come problema di gerarchia.

Il problema sorge dalla disparità tra gravità e debole forza nucleare, che è circa 100 milioni di trilioni di miliardi di volte più forte e agisce su scale molto più piccole per mediare le interazioni all’interno dei nuclei atomici. Le particelle che trasportano la forza debole, chiamate bosoni W e Z, derivano le loro masse dal campo di Higgs. Un campo di energia che satura tutto lo spazio. Ma non è chiaro il motivo per cui l’energia del campo di Higgs, e quindi le masse dei bosoni W e Z, non è molto più grande.

Poiché altre particelle sono intrecciate con il campo di Higgs, le loro energie dovrebbero riversarsi in esso durante eventi noti come fluttuazioni quantistiche. Ciò dovrebbe accelerare rapidamente l’energia del campo di Higgs, rendendo i bosoni W e Z molto più massicci e rendendo la forza nucleare debole quanto la gravità.

La supersimmetria risolve il problema della gerarchia

La supersimmetria risolve il problema della gerarchia teorizzando l’esistenza di un gemello superpartner per ogni particella elementare. Secondo la teoria, i fermioni, che costituiscono la materia, hanno superpartner che sono bosoni, trasportano le forze, e i bosoni esistenti hanno superpartner fermioni. Poiché le particelle e i loro superpartner sono di tipo opposto, i loro contributi energetici al campo di Higgs hanno segni opposti.

Uno compone la sua energia, l’altro lo compone. I contributi della coppia si annullano, senza provocare alcun effetto catastrofico sul campo di Higgs. Come bonus, uno dei superpartner non scoperti potrebbe inventare la materia oscura. I fisici hanno avanzato una vasta gamma di idee su come la simmetria potrebbe essersi rotta, generando una miriade di versioni di supersimmetria. Ma la rottura della supersimmetria può rappresentare un nuovo problema. “Più pesante è il numero di superpartner rispetto alle particelle esistenti, più l’annullamento dei loro effetti non funziona”.

Le particelle

La maggior parte dei fisici delle particelle negli anni ottanta pensavano che avrebbero rilevato superpartner che erano solo leggermente più pesanti delle particelle conosciute. Ma il Tevatron, l’acceleratore di particelle in Illinois, non ha trovato prove del genere. Alcuni fisici affermano che la teoria è morta. Oggi, la maggior parte delle rimanenti versioni praticabili della supersimmetria prevede che i superpartner siano così pesanti da sopraffare gli effetti dei loro gemelli molto più leggeri se non per le cancellazioni perfezionate tra i vari superpartner.

Ma introdurre la messa a punto per ridimensionare il danno e risolvere il problema della gerarchia rende scomodi alcuni fisici. “Questo, forse, dimostra che dovremmo fare un passo indietro e iniziare a pensare di nuovo sui problemi per i quali è stata introdotta la fenomenologia“. Ma alcuni teorici stanno sostenendo che, in contrasto con la bellezza della teoria originale, la natura potrebbe essere solo una brutta combinazione di particelle superpartner.

In alcuni dei modelli di supersimmetria meno popolari, i superpartner più leggeri non sono quelli che sono stati cercati negli esperimenti. In altri, i superpartner non sono più pesanti delle particelle esistenti ma solo meno stabili, rendendoli più difficili da rilevare. Le idee sbagliate vengono eliminate nel tempo perché non sono fruttuose o perché conducono a vicoli ciechi.

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Ultimo aggiornamento il 13 novembre 2018 4:10 pm

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