Fisica fondamentale oggi

Nel breve articolo in cui introduce il modello standard, datato 1967, Steven Weinberg scriveva: “certamente il nostro modello ha troppe caratteristiche arbitrarie perché queste previsioni possano essere prese sul serio”.  Vengono infatti aggregate in un modello realistico molte idee teoriche sviluppate in quegli anni: dalla teoria di gauge estesa alle interazioni deboli (e successivamente a quelle forti), alla rottura spontanea della simmetria al meccanismo di Higgs, ottenendo un certo numero di previsioni completamente nuove, all’epoca tutte da verificare. Con il tempo, ognuna di queste previsioni ha trovato conferma sperimentale. Oggi, grazie all’energia e alla precisione degli esperimenti attuali, come quelli condotti all’LHC al CERN,  non si osservano deviazioni significative dalle previsioni del Modello Standard.

Abbiamo dunque capito tutto della fisica fondamentale? O ci troviamo piuttosto in una situazione simile a quella della fine del XIX secolo, quando tutta la fisica sembrava compresa, prima che rivoluzioni come la relatività  e la meccanica quantistica  cambiassero radicalmente il nostro modo di interpretare la realtà?

È molto difficile azzardare  paralleli storici o prevedere sviluppi futuri, ma quel che è certo è che ci sono ancora molte questioni aperte, interrogativi la cui risposta non si trova nel Modello Standard.

Per esempio: i neutrini sono fermioni di Dirac o di Majorana? Perché le interazioni forti sembrano non distinguere tra materia e antimateria? Come si può integrare la gravità, che è molto debole alle energie che possiamo raggiungere, con le altre forze? Come si spiega l’instabilità della massa del bosone di Higgs? Perché esistono tre famiglie di particelle simili ma con masse diverse? Come si genera lo spettro delle masse dei fermioni del Modello Standard, le particelle elementari che costituiscono la materia?

Queste sono solo alcune delle domande che spingono gli scienziati e le scienziate di tutto il mondo a cercare nuove teorie e nuove particelle.

Oggi ci troviamo di fronte a una domanda fondamentale: disponiamo già di un nuovo modello teorico capace di affrontare e risolvere alcune delle questioni più importanti ancora aperte, offrendo previsioni verificabili con i futuri esperimenti? La risposta è: non lo sappiamo ancora. Potrebbe essere che il modello standard del futuro sia già dietro l’angolo, con molte nuove previsioni da testare, oppure che esista già, ma non gli abbiamo ancora dato il giusto credito. In questa fase, sono gli esperimenti a indicare la direzione in cui si svilupperà la fisica delle particelle elementari. Per progredire, sarà necessario alzare ancora di più la soglia di energia, aumentare l’intensità e la sensibilità degli strumenti, esplorare un ampio spettro di possibilità e farlo senza pregiudizi, alla ricerca di eventuali deviazioni che devono esserci, anche se ancora non sappiamo dove si trovino.

Un esempio di teoria che dagli anni ’80 ha suscitato grande interesse e speranze è la Supersimmetria. Il Modello Standard Supersimmetrico Minimo (MSSM) prevede una ricca fenomenologia, con molte nuove particelle, partner supersimmetrici delle particelle del Modello Standard, incluso un possibile candidato per la materia oscura. Inoltre, potrebbe stabilizzare la massa del bosone di Higgs se le particelle supersimmetriche non sono troppo pesanti, permettere nuove sorgenti di asimmetria tra materia e antimateria, e favorire l’unificazione delle interazioni a energie elevate.

Tuttavia, nonostante gli sforzi sperimentali, finora non ci sono state conferme delle previsioni di questa teoria. Al contrario, venti anni di ricerche a LHC non hanno trovato particelle supersimmetriche, spingendo verso l’alto il valore delle loro masse. Sebbene il modello non possa essere escluso del tutto, alcune delle motivazioni teoriche che lo sostenevano si sono indebolite con l’aumento delle masse delle particelle supersimmetriche. Di conseguenza, sono emerse idee alternative per rispondere alle questioni ancora aperte del Modello Standard, che oggi non ha un chiaro successore.

Ma questa incertezza non deve spaventarci. La storia della fisica ci insegna che spesso le teorie più rivoluzionarie nascono proprio quando meno ce lo aspettiamo e che le osservazioni sperimentali possono sorprenderci. A volte, la teoria anticipa l’esperimento, come è successo con la relatività di Einstein e, in una certa misura, con la teoria elettrodebole nel Modello Standard; altre volte invece è l’esperimento a sfidare la teoria che deve evolversi per interpretare i dati. .È stato così con la meccanica quantistica, si pensi all’effetto fotoelettrico, ma anche della teoria delle interazioni forti, la cromodinamica quantistica poi confluita nel Modello Standard, che si è sviluppata sotto l’impulso degli esperimenti iniziati a SLAC alla fine degli anni ‘60.

La fisica teorica, però, si sviluppa in molte direzioni, molte delle quali non sono immediatamente verificabili con esperimenti diretti, ma restano nel campo delle idee e dei concetti. Tra queste, lo studio di fenomeni a energie così elevate da essere irraggiungibili con gli attuali strumenti, come la fisica dei buchi neri, dove è indispensabile trovare una sintesi tra gravità e meccanica quantistica, attraverso approcci diversi come la teoria delle stringhe o la gravità quantistica. Inoltre, si esplorano dualità e relazioni tra teorie applicate in regimi differenti, oppure si studiano teorie in limiti estremi nel tentativo di semplificare e comprendere i problemi più complessi. Per quanto la creatività del pensiero possa spingersi lontano, l’unico limite chiaramente definito è riassunto in una celebre frase di Richard Feynman:  “Non importa quanto sia bella la tua teoria, non importa quanto sei intelligente. Se non è in accordo con gli esperimenti, è sbagliata”.