I fisici teorici del PRISMA+ Cluster of Excellence presso la Johannes Gutenberg University Mainz stanno lavorando a una teoria che va oltre il Modello Standard della fisica delle particelle e può rispondere a domande in cui il Modello Standard deve passare, ad esempio, rispetto alle gerarchie delle masse delle particelle elementari o all'esistenza della materia oscura. L'elemento centrale della teoria è una dimensione extra nello spaziotempo. Fino ad ora, gli scienziati hanno affrontato il problema che le previsioni della loro teoria non potevano essere testate sperimentalmente. Ora hanno superato questo problema in una pubblicazione nell'attuale numero del European Physical Journal C .

Già negli anni '20, nel tentativo di unificare le forze di gravità ed elettromagnetismo, Theodor Kaluza e Oskar Klein hanno ipotizzato l'esistenza di una dimensione extra oltre le familiari tre dimensioni spaziali e il tempo, che in fisica sono combinate nello spaziotempo quadridimensionale. Se esiste, una dimensione così nuova dovrebbe essere incredibilmente piccola e impercettibile all'occhio umano. Alla fine degli anni '90 questa idea ha visto un notevole rinascimento, quando ci si rese conto che l'esistenza di una quinta dimensione poteva risolvere alcune delle profonde questioni aperte della fisica delle particelle. In particolare, Yuval Grossman della Stanford University e Matthias Neubert, poi professore alla Cornell University, ha mostrato in una pubblicazione molto citata che l'inclusione del Modello Standard della fisica delle particelle in uno spaziotempo a 5 dimensioni potrebbe spiegare i modelli finora misteriosi visti nelle masse di particelle elementari.

Altri 20 anni dopo, il gruppo di Matthias Neubert, dal 2006 alla facoltà dell'Università Johannes Gutenberg di Magonza (Germania) e portavoce del Cluster di Eccellenza PRISMA+, ha fatto un'altra scoperta inaspettata:ha scoperto che le equazioni di campo a 5 dimensioni predicevano l'esistenza di un nuovo, particella pesante con proprietà simili al famoso bosone di Higgs ma una massa molto più pesante, così pesante, infatti, che non può essere prodotto nemmeno nel collisore di particelle a più alta energia del mondo:il Large Hadron Collider (LHC) presso il Centro europeo di ricerca nucleare CERN vicino a Ginevra (Svizzera). "È stato un incubo", ricorda Javier Castellano Ruiz, un dottorato di ricerca studente coinvolto nella ricerca, "eravamo eccitati dall'idea che la nostra teoria predice una nuova particella, ma sembrava impossibile confermare questa previsione in qualsiasi esperimento prevedibile".

La deviazione attraverso la quinta dimensione

In un recente articolo pubblicato su European Physical Journal C , i ricercatori hanno trovato una soluzione spettacolare a questo dilemma. Hanno scoperto che la loro particella proposta avrebbe necessariamente mediato una nuova forza tra le particelle elementari conosciute (il nostro universo visibile) e la misteriosa materia oscura (il settore oscuro). Anche l'abbondanza di materia oscura nel cosmo, come osservato negli esperimenti astrofisici, possono essere spiegati dalla loro teoria. Questo offre nuovi entusiasmanti modi per cercare i costituenti della materia oscura, letteralmente attraverso una deviazione attraverso la dimensione extra, e ottenere indizi sulla fisica in una fase molto precoce nella storia del nostro universo, quando la materia oscura è stata prodotta. "Dopo anni di ricerca di possibili conferme delle nostre previsioni teoriche, ora siamo fiduciosi che il meccanismo che abbiamo scoperto renderebbe la materia oscura accessibile ai prossimi esperimenti, perché le proprietà della nuova interazione tra materia ordinaria e materia oscura, che è mediata dalla nostra particella proposta, possono essere calcolate con precisione all'interno della nostra teoria", afferma Matthias Neubert, capo del gruppo di ricerca. "Alla fine, così la nostra speranza, la nuova particella potrebbe essere scoperta prima attraverso le sue interazioni con il settore oscuro". Questo esempio illustra bene la fruttuosa interazione tra scienza di base sperimentale e teorica, un segno distintivo del Cluster di Eccellenza PRISMA+.