La rottura di simmetria - Circolo Astrofili Veronesi

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Essay concepts
La rottura di simmetria
La simmetria elettrodebole: risolvere l’enigma di come avviene la rottura
di questa simmetria può determinare la futura direzione della fisica delle
particelle
Edward Witten
Ai nostri avi nella preistoria non servivano i macchinari moderni per rivelare
gli effetti di ciò che ora conosciamo col
nome di interazioni elettromagnetiche.
La luce è un fenomeno comune della
vita quotidiana, e altri effetti elettromagnetici come elettricità statica, i fulmini
globulari e le proprietà magnetiche di
alcune rocce, come le calamite, erano
ben noti nell’antichità.
Ma ci vuole un bel po’ di moderna
tecnologia anche solo per scoprire
l’esistenza delle interazioni deboli, per
non parlare poi di comprenderle.
La consapevolezza delle interazioni deboli l’abbiamo acquisita con la
Disturbando la rotazione della biglia, questa rotola giù e rompe la simmetria del cappello
scoperta della radioattività nel 1896.
Alcuni nuclei radioattivi decadono
emettendo “particelle β”, che ora interpretiamo come elettroni energetici.
Questo decadimento nucleare β è la finestra più accessibile alle interazioni
deboli, ed era l’unica disponibile fino a
metà del secolo scorso, quando arrivarono sulla scena i rivelatori di raggi cosmici, i reattori nucleari e gli acceleratori di particelle.
Elettricità, magnetismo e luce un
tempo sembravano tre realtà differenti.
La loro comprensione unificata, nel diciannovesimo secolo, ha condotto gli
scienziati a descriverli nella loro globalità come fenomeni ‘elettromagnetici’.
L’elettromagnetismo sembra ben
più semplice delle interazioni deboli.
Ma nella nostra comprensione attuale,
basata su qualcosa che chiamiamo ‘modello standard’ delle particelle elementari, essi sono perfettamente paralleli.
Per esempio, l’elettromagnetismo è descritto dalle equazioni di Maxwell, e le
interazioni deboli sono descritte da un
sistema di equazioni molto simili, anche
se non lineari (chiamate ‘equazioni di
Yang-Mills’). Per dare un altro esempio, una particella elementare chiamata
fotone è il quanto fondamentale
dell’elettromagnetismo, e simili particelle chiamate bosoni W e Z sono i
quanti fondamentali dell’interazione
debole. Grazie a questa stretta somiglianza tra le interazioni elettromagnetiche e le deboli, oggi i fisici delle particelle le chiamano con termine unico
interazioni elettrodeboli.
Se le interazioni deboli sono così
simili all’elettromagnetismo, perché ci
sembrano così diverse nell’esperienza
comune? Secondo il modello standard,
la chiave è la ‘rottura spontanea di
simmetria’. Anche se le leggi della natura hanno una simmetria – in questo
caso, la simmetria tra le interazioni deboli e l’elettromagnetismo, ovvero tra il
fotone e i bosoni W e Z – le soluzione
delle equazioni possono aver perso questa simmetria.
Per esempio, in un liquido, un atomo ha eguali probabilità di muoversi
in qualunque direzione nello spazio, il
movimento non privilegia particolari
coordinate. Ma se raffreddiamo il liquido fino a congelarlo, si forma un cristallo, che ha assi ben individuati. Tutte le
direzioni dello spazio sono egualmente
possibili come assi del cristallo, ma al
momento del congelamento, emergeranno sempre certi particolari assi. La
simmetria tra tutte le diverse direzioni
nello spazio è stata persa, in altre parole
@2004 Nature Publishing group
è avvenuta una ‘rottura spontanea di
simmetria’.
Analogamente, secondo il modello
standard, subito dopo il ‘Big Bang’ ci
fu una perfetta simmetria tra il fotone e
i bosoni W e Z. Alle alte temperature di
quegli istanti l’elettromagnetismo e le
interazioni deboli erano equivalenti. Ma
col raffreddarsi dell’universo, ebbe luogo una transizione di fase, assimilabile
al congelamento in un liquido, in cui la
simmetria subisce una “rottura spontanea”. I bosoni W e Z acquistarono massa, il che limita il raggio d’azione delle
interazioni deboli alle distanze nucleari
e ne sottrae gli effetti alla percezione
diretta. Il fotone invece rimase privo di
massa, e quindi capace di propagare gli
effetti elettromagnetici sulla scala umana (e oltre), e di rendersi percepibile
nella vita quotidiana.
La maggior parte degli aspetti del
modello standard sono stati ampiamente
testati e confermati sperimentalmente.
Per esempio, il momento magnetico
dell’elettrone, misurato alla dodicesima
cifra significativa, è in perfetto accordo
con il valore calcolato sulla base della
teoria. Molte delle proprietà previste
per i bosoni W e Z sono state verificate
a 3 o 4 cifre significative. Più recentemente, in laboratori in California e
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Giappone, è stato verificato il meccanismo con cui il modello standard viola
la simmetria tra materia e antimateria.
Ma è forse l’aspetto più profondo
del modello standard che non siamo ancora stati in grado di verificare sperimentalmente: come avviene la rottura?
Abbiamo però un’idea abbastanza chiara di dove trovare questa informazione.
Proprio come usiamo le masse atomiche e le energie di legame chimico per
stimare il punto di fusione dei cristalli,
così possiamo usare le masse di W e Z
e le altre proprietà osservate delle particelle elementari, per stimare la temperatura o energia che gli acceleratori devono raggiungere per esplorare la rottura
di simmetria elettrodebole. Secondo
queste stime la rottura di simmetria elettrodebole dovrebbe essere alla portata del più potente acceleratore del mondo, il Tevatron al Fermilab di Chicago1,
e sicuramente alla portata del Large
Hadron Collider (LHC), previsto in servizio per il 2007 al CERN, il Laboratorio Europeo di Ginevra.
Che cosa ci aspettiamo di trovare?
Nella versione originale del modello
standard, (quella dei trattati), la chiave
per la rottura della simmetria elettrodebole è un’entità chiamata particella di
Higgs. Alle alte temperature le particelle di Higgs, come tutte le altre particelle, hanno moti casuali. Ma appena
l’universo si raffredda le particelle di
Higgs si combinano in un ‘condensato
di Bose’, uno stato ordinato in cui molte
particelle hanno la stessa funzione
d’onda quantistica di stato, situazione
che porta, - nel caso dell’elio - alla superfluidità. La simmetria elettrodebole
è rotta nella ‘direzione’ del condensato
di Bose (in uno spazio astratto che descrive le forze di differenti particelle)
più o meno allo stesso modo che in un
cristallo la simmetria di rotazione è rotta dalla direzione degli assi cristallografici. Questa proposta, benchè semplice
e compatibile con i fatti noti, non ci dice probabilmente tutta la storia. perché
la massa della particella di Higgs sia
abbastanza piccola perché il modello
funzioni, è necessario adattare un po’
artificiosamente i parametri.
Sono state avanzate parecchie
proposte alternative per risolvere questo
problema, che tuttavia introducono esse
stesse nuovi enigmi. Un’idea, motivata
da un fenomeno che avviene nei superconduttori, è che la particella di Higgs
ha origine come stato legato. Sarebbe
così risolto il problema della massa, ma
1
L’articolo è del 2004, ndt
sorgerebbe la necessità di un manipolo
di nuove particelle e forze che non sono
state ancora osservate. Dovrebbero essere osservabili con LHC. Finora modelli di questo genere hanno incontrato
grandi difficoltà, ma può darsi che la
natura conosca trucchi che i nostri creatori umani di modelli non conoscono.
Un’ idea più radicale è la ‘supersimmetria’, una simmetria di nuova
struttura in cui le variabili quantistiche
sono incorporate nella struttura dello
spazio-tempo. La nuova simmetria impedisce le interazioni che renderebbero
eccessiva la massa della particella di
Higgs, ma, ancora, prevede un sacco di
nuove particelle che potrebbero essere
scoperte all’LHC e forse al Tevatron.
La supersimmetria, un’idea concernente la rottura della simmetria elettrodebole, ha avuto successi realmente
convincenti. Una relazione tra le velocità di interazione tra diverse particelle ha
avuto una buona conferma sperimentale.
Per di più, i tentativi più interessanti verso una più completa unificazione tra le forze della natura (‘teorie di
grande unificazione’ e ‘teoria delle
stringhe’) funzionano realmente solo se
si dà per buona la supersimmetria.
D’altro canto, i modelli supersimmetrici
sollevano numerose questioni inquietanti a cui i nostri creatori umani di modelli non danno ancora risposte convincenti. Se la supersimmetria sarà confermata, capiremo come la natura se la
cava con queste questioni e avremo indicazioni cruciali per una più profonda
comprensione della natura.
Altre idee sulla rottura della simmetria elettrodebole vanno ancora più
in là. Una linea di pensiero lega questo
problema alle dimensioni extra dello
spazio-tempo, subnucleari come estensione ma osservabili con gli acceleratori. Questo approccio va probabilmente
molto in là nel tempo, ma la ricompensa
sarebbe enorme: scoprire extra dimensioni ci potrebbe dare l’opportunità di
testare la natura quantistica della gravità e dei buchi neri.
Da ultimo, un’ulteriore linea di
pensiero lega la rottura della simmetria
elettrodebole
all’energia
oscura
dell’universo, che gli astronomi hanno
scoperto negli ultimi anni, osservando
che l’espansione dell’universo sta accelerando. Da questo punto di vista, si
cerca di correlare la relativa piccolezza
della massa della particella di Higgs
alla piccolezza della energia oscura.
Una proposta è il principio antropico,
secondo il quale l’energia oscura e la
@2004 Nature Publishing group
massa della particella di Higgs assumono valori diversi in diverse parti
dell’universo
E noi inevitabilmente viviamo in
una regione in cui sono abbastanza piccole da rendere possibile la vita. In tal
caso,
molte
altre
proprietà
dell’Universo che siamo abituati a considerare fondamentali – come la massa
e la carica dell’elettrone – sono probabilmente anch’esse delle pure contingenze ambientali. Anche se io spero che
questa linea di pensiero sia erronea, sarà inevitabile che essa diventi più popolare se gli esperimenti mostreranno che
la rottura della simmetria elettrodebole
è governata dal modello standard dei
libri di testo con una particella di Higgs
e nient’altro.
Al momento attuale, nessuna di
queste proposte teoriche sulla la rottura
della simmetria elettrodebole è completamente soddisfacente. Speriamo che
per la fine del decennio le scoperte sperimentali al Tevatron e all’LHC ci mettano sulla buona strada. Ma la grande
varietà di idee e di orientamenti sulla
rottura della simmetria elettrodebole
suggerisce che la soluzione di questo
enigma determinerà in quale direzione
si muoverà in futuro la fisica delle particelle.
Edward Witten è all’ Institute for Advanced
Study, School of Natural Sciences,
Princeton, New Jersey 08540, U