Il modello standard ora è una teoria orfana

Nel corso del XX secolo, numerose scoperte hanno rivoluzionato il nostro Universo. La scoperta della struttura interna degli atomi e della radioattività ha portato alla rivoluzione quantistica, esponendo le regole bizzarre e controintuitive che la natura gioca a un livello fondamentale.

La nascita e la crescita della fisica sperimentale delle particelle ha portato a enormi sviluppi teorici, consentendo di rappresentare tutto ciò che osserviamo come composti di quanti indivisibili.

Alla fine degli anni ’60, furono messi a posto gli ultimi pezzi teorici del nostro Universo quantistico, completando quello che oggi conosciamo come Modello Standard. Più di mezzo secolo dopo, ogni previsione derivata dal modello standard è stata confermata da esperimenti, senza alcun conflitto.

Probabilmente la persona più importante nel completare lo sviluppo teorico del Modello Standard delle particelle elementari fu Steven Weinberg. Il 23 luglio 2021 è morto all’età di 88 anni, lasciando una ricca eredità di risultati che abbracciano una vasta gamma di argomenti di fisica teorica.

Sebbene possa aver lasciato questo mondo, i suoi contributi sono destinati a sopravvivere ampiamente a lui, poiché ora sono centrali non solo per la fisica stessa, ma sono stati molto influenti ed educativi per generazioni di fisici.

Anche se il Modello Standard è ora una teoria orfana, essendo sopravvissuta ai suoi principali architetti, il suo regno come teoria di maggior successo nella storia della scienza continua, e così continuerà l’eredità dei contributi di Weinberg al campo.

Un modello di leptoni

Nel 1967, Weinberg presentò un articolo di meno di tre pagine che, per la prima volta, ipotizzava correttamente la struttura delle particelle dell’unificazione elettrodebole.

Il grosso problema all’epoca era che qualsiasi simmetria rotta porta inevitabilmente alla generazione di almeno un bosone di gauge senza massa, noto come bosone di Goldstone.

Ma per spiegare i decadimenti radioattivi, così come gli altri effetti della forza debole, doveva esistere un insieme massiccio di bosoni con spin 1. Questo era il problema che Weinberg si proponeva di affrontare nel suo articolo, intitolato semplicemente “A Model Of Leptons“.

Weinberg ha iniziato ipotizzando uno stato ininterrotto, unificato e più simmetrico che appare ad alte energie, quindi si rompe a una scala energetica inferiore per produrre le forze deboli ed elettromagnetiche che vediamo oggi.

Ciò che Weinberg ha mostrato è che se i campi di fotoni e bosoni intermedi fungono da campi di gauge – cosa che fanno nel caso del meccanismo di Higgs – allora quella simmetria rotta può portare a:

• un fotone senza massa,
• un insieme pesante di tre bosoni che fungono da vettore di forza per la carica debole,
• il bosone di Higgs rimasto
• e un insieme specifico di proprietà altamente vincolate su come elettroni e muoni si accoppiano a queste forze.

Sebbene molti altri abbiano dato un contributo molto importante al puzzle, Weinberg è stato il primo a mettere insieme i pezzi teorici per creare quello che oggi conosciamo come “il modello standard“.

Il meccanismo di Weinberg non era solo preveggente, ma corretto. Anche la sua proposta iniziale, sulla quale scrisse con cautela, “Naturalmente il nostro modello ha troppe caratteristiche arbitrarie per poter prendere molto sul serio queste previsioni…” si è rivelata un successo strepitoso.

La scoperta dei bosoni W-and-Z – l’ultimo dei quali deve persino il suo nome a Weinberg – ha rivendicato la nozione di unificazione, così come le loro grandi masse che, in effetti, sono apparse sulla stessa scala di massa prevista. Nel 1973, le interazioni della corrente neutra furono osservate sperimentalmente al CERN, ancora una volta esattamente come aveva previsto Weinberg.

Nel bene e nel male, il successo di questo approccio ha portato a molti successivi tentativi di creare un’estensione più unificata del Modello Standard.

Le varie teorie della grande unificazione, le imposizioni di simmetrie aggiuntive come la supersimmetria e l’ascesa della teoria delle (super)stringhe hanno tutte seguito la stessa procedura che ha portato alla formulazione del Modello Standard.

Weinberg approvò molto questo approccio e scrisse persino un libro lodandolo: “Dreams of a Final Theory“.

Con la morte di Weinberg, Sheldon Glashow – che ha condiviso il premio Nobel nel 1979 con Weinberg e Abdus Salam, e che è tanto disincantato dalla teoria delle stringhe quanto Weinberg ne era entusiasta – si erge come l’ultimo scienziato rimasto connesso all’unificazione elettrodebole.

I primi tre minuti

Con il Modello Standard ora in atto per descrivere le forze, le particelle e i campi che permeano l’Universo, il passo logico successivo è stato quello di combinare la nostra conoscenza della fisica delle particelle con la nostra conoscenza della gravitazione e dell’Universo.

No, non cercando di costruire una teoria del tutto, ma piuttosto di applicare la nostra conoscenza della fisica delle particelle agli stadi precedenti, più caldi e più densi dell’Universo. Poiché l’Universo che osserviamo si sta espandendo e raffreddando oggi, il Big Bang ci dice che in passato era più caldo, più denso e più uniforme.

Elaborare le previsioni scientifiche su come ci aspettiamo che sia l’Universo primordiale – e come ciò si traduce in proprietà che possiamo potenzialmente osservare oggi – è diventata una linea di ricerca incredibilmente importante, che porta ai moderni campi di ricerca della cosmologia fisica e della fisica delle astroparticelle.

L’Universo caldo e denso, quando era molto giovane, aveva la stessa quantità di materia e antimateria. Mentre si raffreddava, gli eccessi si annientavano, lasciando solo la quantità in eccesso di materia. Durante quei primi tre minuti:

• protoni e neutroni si interconvertono l’uno nell’altro attraverso interazioni con elettroni e neutrini,
• i neutrini smettono di interagire mentre le interazioni deboli si congelano,
• poi gli elettroni e i positroni si annichilano,
• quindi i fotoni energetici impediscono la formazione stabile del deuterio,
• mentre i neutroni liberi decadono in protoni,
• poi finalmente l’Universo si raffredda abbastanza da poter formare il deuterio,
• portando alla fusione e alle abbondanze iniziali dei nuclei leggeri,

che rimangono, e possono poi essere misurati in seguito, anche oggi.

Lo spazio vuoto non è niente

Quando presentò per la prima volta la sua teoria della Relatività Generale, Einstein aggiunse un termine che era matematicamente consentito, ma che era fisicamente mal motivato: una costante cosmologica.

Notando che un Universo statico pieno di materia sarebbe instabile, aveva aggiunto questo parametro per spiegare come mai l’Universo non collassa, perché senza di esso è consentita solo l’espansione o la contrazione; non puoi rimanere immutabile.

In seguito e in modo completamente indipendente, abbiamo sviluppato la teoria quantistica dei campi, che afferma che ogni forza fondamentale ha il suo campo associato, e quei campi pervadono tutto lo spazio, indipendentemente dal fatto che ci sia una fonte carica per quel campo presente o meno.

Abbiamo prescrizioni nella teoria quantistica dei campi per calcolare i contributi degli effetti delle diverse interazioni consentite sulle particelle, il che ci consente di fare previsioni per i risultati degli esperimenti di fisica delle particelle.

Tuttavia, c’è un altro effetto: questi campi quantistici contribuiscono all’energia complessiva presente nello spazio vuoto stesso, nota alternativamente come valore di aspettativa del vuoto dello spazio vuoto o come energia di punto zero dello spazio stesso. In termini di effetti, svolge un ruolo identico in cosmologia alla costante cosmologica di Einstein.

Il problema è che, nell’approccio tradizionale, o abbiamo ottenuto un’assurdità (un valore assurdamente grande che avrebbe distrutto l’Universo molto tempo fa, circa 120 ordini di grandezza troppo grande) o abbiamo ipotizzato che tutti quei contributi fossero trascurabili e in qualche modo annullati a zero.

Nel 1987, tuttavia, Steven Weinberg pubblicò un’idea radicale e notevolmente diversa: che si potesse calcolare il limite superiore per la costante cosmologica semplicemente limitato dal vincolo che il proprio Universo deve consentire la formazione di oggetti legati alla gravità.

Quello che scoprì fu che il valore limite era “solo” 118 ordini di grandezza più piccolo del risultato del precedente calcolo.

Ciò lo ha portato a ipotizzare che dovremmo avere una costante cosmologica diversa da zero per l’Universo e che non sarebbe sorprendente se fosse entro uno o due ordini di grandezza di quel valore limite.

11 anni dopo, questo è esattamente ciò che abbiamo concluso sull’Universo, confermando l’ipotesi speculativa di Weinberg che l’energia di punto zero dello spazio vuoto non è dopo tutto zero, ma piuttosto ha un valore piccolo ma significativamente diverso da zero.

Dopotutto, il nulla dello spazio vuoto non è esattamente in linea con le nostre idee di “nulla”.

Teoria del campo

Questo è generalmente sottovalutato anche nel campo della fisica, ma la sua importanza non può essere sopravvalutata. Quando stiamo speculando su scenari teorici che non possono essere testati direttamente dall’esperimento, abbiamo bisogno di trovare un modo per estrarre previsioni fenomenologiche significative.

Mentre alcuni fisici preferiscono giocare a “indovinare esattamente la teoria”, ciò è spesso improduttivo, poiché è inutilmente eccessivamente complesso farlo.

Invece, un approccio di gran lunga superiore, almeno in termini di estrazione di previsioni significative che potrebbero avere un impatto sugli osservabili indirettamente correlati, consiste nell’utilizzare un modello semplificato che catturi le proprietà più importanti dell’idea teorica in gioco: un modello giocattolo.

Usiamo sempre questo approccio, anche nella modellazione di fenomeni come l’inflazione cosmica o le dimensioni extra, per aiutarci a capire come i vari parametri misurabili saranno influenzati da diversi scenari.

Questo tipo di lavoro ci ha permesso di porre enormi vincoli su quali incarnazioni di varie idee rimangono praticabili, contro quali possono essere respinte senza ulteriori considerazioni.

Questa idea di base afferma che invece di lavorare con (e aver bisogno di conoscere) l’esatta teoria quantistica del campo alla base del fenomeno che stiamo studiando, possiamo usare un modello semplificato di quella teoria del campo: una teoria del campo efficace (EFT).

Anche se Weinberg ha coniato il termine e molti di noi lo usano nel contesto di altre teorie quantistiche, lui stesso ha notato che è assolutamente essenziale, nella sua mente, per avvicinarsi alla gravità quantistica.

“Il mio pensiero sugli EFT è sempre stato in parte condizionato dal pensare a come possiamo affrontare una teoria quantistica della gravitazione. Non puoi rappresentare la gravità con una semplice teoria rinormalizzabile come il Modello Standard, quindi cosa fai? In effetti, tratti la relatività generale allo stesso modo in cui tratti i pioni a bassa energia, che sono descritti da una teoria non rinormalizzabile a bassa energia…”.

“Ho mostrato come è possibile generare una serie di potenze per una data ampiezza di dispersione in potenze di energia piuttosto che una piccola costante di accoppiamento. L’idea di EFT è che ogni possibile interazione c’è: se non è proibita è obbligatoria”.

“Ma i termini più alti e più complicati sono soppressi da potenze negative di una massa molto grande perché la dimensionalità delle costanti di accoppiamento è tale da avere potenze di massa negative, come la costante gravitazionale. Ecco perché sono così deboli“.

In altre parole, lavorare con teorie di campo efficaci ti consente di capire come vari termini e fenomeni contribuiscono a ciò che stai tentando di osservare, anche quando non lavori (o non puoi) lavorare con la teoria completa in tutti i suoi dettagli.

È un peccato – e vero – che non abbiamo idea se gli approcci che abbiamo adottato per arrivare a questo punto ci porteranno oltre nei nostri sforzi per comprendere l’Universo.

Nonostante tutti gli strumenti e le tecniche che abbiamo sviluppato, non abbiamo modo di sapere quale delle nostre idee attuali, se ce ne sono, aiuterà a indicare la strada per svelare i nostri più grandi misteri scientifici oggi.

La forza forte si unifica mai con la forza elettrodebole? Esiste una teoria quantistica della gravità e, in caso affermativo, che aspetto ha? Che cosa ha causato l’inflazione e quali erano le sue proprietà? Cosa sono la materia oscura e l’energia oscura?

Queste sono le domande esistenziali che affliggono la fisica e l’astronomia nel 2021, domande che non avevamo la capacità di porci quando Steven Weinberg ha iniziato la sua carriera.

Da allora fino ad oggi, è stato un viaggio straordinario e lo abbiamo avuto con noi per aiutarci non solo a tracciare quel sentiero, ma anche a portare tanti di noi con lui per il viaggio. I prossimi passi, senza di lui, saranno molto più difficili da compiere.