Le simmetrie che governano il mondo delle particelle elementari al livello più elementare potrebbero essere radicalmente diverse da quanto finora pensato. Questa sorprendente conclusione emerge dal nuovo lavoro pubblicato da teorici di Varsavia e Potsdam. Lo schema che presuppongono unifica tutte le forze della natura in modo coerente con le osservazioni esistenti e anticipa l'esistenza di nuove particelle con proprietà insolite che potrebbero essere presenti anche nei nostri vicini dintorni.

Per mezzo secolo, i fisici hanno cercato di costruire una teoria che unisca tutte e quattro le forze fondamentali della natura, descrive le particelle elementari conosciute e predice l'esistenza di nuove. Finora, questi tentativi non hanno trovato conferme sperimentali, e il Modello Standard, un incompleto, ma un costrutto teorico sorprendentemente efficace, è ancora la migliore descrizione del mondo quantistico. In un recente articolo in Lettere di revisione fisica , Prof. Krzysztof Meissner dell'Istituto di fisica teorica, Facoltà di Fisica, Università di Varsavia, e il Prof. Hermann Nicolai del Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik di Potsdam hanno presentato un nuovo schema che generalizza il Modello Standard che incorpora la gravitazione nella descrizione. Il nuovo modello applica una sorta di simmetria non utilizzata in precedenza nella descrizione delle particelle elementari.

In fisica, le simmetrie sono intese in modo leggermente diverso rispetto al senso colloquiale della parola. Ad esempio, se una palla cade ora o tra un minuto, cadrà ancora allo stesso modo. Questa è una manifestazione di una certa simmetria:le leggi della fisica rimangono invariate rispetto agli spostamenti nel tempo. Allo stesso modo, far cadere la palla dalla stessa altezza in una posizione ha lo stesso risultato di farla cadere in un'altra. Ciò significa che le leggi della fisica sono anche simmetriche rispetto alle operazioni spaziali.

"Le simmetrie giocano un ruolo enorme in fisica perché sono legate ai principi di conservazione. Ad esempio, il principio di conservazione dell'energia comporta la simmetria rispetto agli spostamenti nel tempo, il principio della conservazione della quantità di moto riguarda la simmetria dello spostamento spaziale, e il principio di conservazione del momento angolare riguarda la simmetria rotazionale, " dice il prof. Meissner.

Lo sviluppo di una teoria supersimmetrica per descrivere le simmetrie tra fermioni e bosoni è iniziato negli anni '70. I fermioni sono particelle elementari il cui spin, una proprietà quantistica relativa alla rotazione, è espresso in multipli dispari della frazione 1/2, e includono sia quark che leptoni. Tra questi ultimi ci sono gli elettroni, muoni, taoni, e i loro neutrini associati (così come le loro antiparticelle). protoni e neutroni, particelle non elementari comuni, sono anche fermioni. bosoni, a sua volta, sono particelle con valori di spin interi. Includono le particelle responsabili delle forze (fotoni, portatori della forza elettromagnetica; gluoni, portando la forza nucleare forte; bosoni W e Z, portando la forza nucleare debole), così come il bosone di Higgs.

"Le prime teorie supersimmetriche hanno cercato di combinare le forze tipiche delle particelle elementari, in altre parole la forza elettromagnetica con una simmetria detta U(1), la forza debole con simmetria SU(2) e la forza forte con simmetria SU(3). Mancava ancora la gravità, " Dice il prof. Meissner. "La simmetria tra i bosoni e i fermioni era ancora globale, che significa lo stesso in ogni punto dello spazio. Poco dopo, sono state ipotizzate teorie in cui la simmetria era locale, il che significa che potrebbe manifestarsi in modo diverso in ogni punto dello spazio. Garantire tale simmetria nella teoria richiesta per includere la gravitazione, e tali teorie divennero note come supergravità."

I fisici hanno notato che nelle teorie della supergravità in quattro dimensioni spazio-temporali, non ci possono essere più di otto differenti rotazioni supersimmetriche. Ciascuna di queste teorie ha un insieme di campi strettamente definito (gradi di libertà) con diversi spin (0, 1/2, 1, 3/2 e 2), noti rispettivamente come campi degli scalari, fermioni, bosoni, gravitini e gravitoni. Per la supergravità N=8, che ha il numero massimo di rotazioni, ci sono 48 fermioni (con spin 1/2), che è precisamente il numero di gradi di libertà richiesti per rendere conto dei sei tipi di quark e dei sei tipi di leptoni osservati in natura. C'erano quindi tutte le indicazioni che la supergravità N=8 fosse eccezionale sotto molti aspetti. Però, non era l'ideale.

Uno dei problemi nell'incorporare il Modello Standard nella supergravità N=8 era posto dalle cariche elettriche dei quark e dei leptoni. Tutte le cariche sono risultate sfasate di 1/6 rispetto a quelle osservate in natura:l'elettrone aveva una carica di -5/6 invece di -1, il neutrino aveva 1/6 invece di 0, ecc. Questo problema, osservato per la prima volta da Murray Gell-Mann più di 30 anni fa, non è stato risolto fino al 2015, quando i professori Meissner e Nicolai hanno presentato il rispettivo meccanismo per modificare la simmetria U(1).

"Dopo aver effettuato questo aggiustamento abbiamo ottenuto una struttura con le simmetrie U(1) e SU(3) note dal Modello Standard. L'approccio si è rivelato molto diverso da tutti gli altri tentativi di generalizzare le simmetrie del Modello Standard. La motivazione era rafforzato dal fatto che l'acceleratore LHC non è riuscito a produrre nulla oltre il Modello Standard e il contenuto di fermioni di supergravità N=8 è compatibile con questa osservazione.Quello che mancava era aggiungere il gruppo SU(2), responsabile della debole forza nucleare. Nel nostro recente articolo, mostriamo come questo può essere fatto. Questo spiegherebbe perché tutti i precedenti tentativi di rilevare nuove particelle, motivato da teorie che trattavano la simmetria SU(2) come spontaneamente violata per basse energie, ma come tenendo nella gamma di alte energie, doveva fallire. A nostro avviso, SU(2) è solo un'approssimazione sia per le basse che per le alte energie, " spiega il prof. Meissner.

Sia il meccanismo che riconcilia le cariche elettriche delle particelle, e il miglioramento che incorpora la forza debole ha dimostrato di appartenere a un gruppo di simmetria noto come E10. A differenza dei gruppi di simmetria precedentemente utilizzati nelle teorie dell'unificazione, E10 è un gruppo infinito, molto poco studiato anche in senso puramente matematico. Il prof. Nicolai con Thibault Damour e Marc Henneaux aveva già lavorato su questo gruppo, perché appariva come una simmetria nella supergravità N=8 in condizioni simili a quelle dei primi istanti dopo il Big Bang, quando solo una dimensione era significativa:il tempo.

"Per la prima volta, abbiamo uno schema che anticipa precisamente la composizione dei fermioni nel Modello Standard - quark e leptoni - e lo fa con le cariche elettriche appropriate. Allo stesso tempo include la gravità nella descrizione. È un'enorme sorpresa che la simmetria corretta sia l'enorme gruppo di simmetria E10, praticamente sconosciuto matematicamente. Se ulteriori lavori confermano il ruolo di questo gruppo, ciò significherà un cambiamento radicale nella nostra conoscenza delle simmetrie della natura, "dice il prof. Meissner.

Sebbene la dinamica non sia ancora stata compresa, lo schema proposto dai professori Meissner e Nicolai fa previsioni specifiche. Mantiene il numero di fermioni di spin 1/2 come nel Modello Standard ma d'altra parte suggerisce l'esistenza di nuove particelle con proprietà molto insolite. È importante sottolineare che almeno alcuni di loro potrebbero essere presenti nelle nostre immediate vicinanze, e il loro rilevamento dovrebbe rientrare nelle possibilità delle moderne apparecchiature di rilevamento. Ma questo è un argomento per una storia a parte.