Gravità e supersimmetria

Tre scienziati hanno ottenuto il prestigioso premio Breakthrough di 3 milioni di dollari nella fisica fondamentale per la loro formulazione della supergravità risalente al 1976.

Il premio è andato a Sergio Ferrara (Università della California), Daniel Freedman (Massachusetts Institute of Technology ) e Peter van Nieuwenhuizen (Stony Brook University ) definiti da molti titoli come: “Gli architetti della Gravità”.

Il premio Istituito nel 2012 e assegnato dai più prestigiosi ricercatori del mondo, è stato voluto dai miliardari Yuri Milner, Sergey Brin (Google), Mark Zuckerberg (Facebook) e Jack Ma (Alibaba) e si è affermato come uno dei premi scientifici internazionali più prestigiosi, rivolto alle ricerche di frontiera.

Viene assegnato per la Matematica, le Scienze della vita e la Fisica fondamentale, la stessa materia che ha visto premiati in passato altri ricercatori italiani, Guido Tonelli e Fabiola Gianotti per il loro contributo alla scoperta del bosone di Higgs, lo scienziato e divulgatore Stephen Hawking e la collaborazione Ligo per la scoperta delle onde gravitazionali.

Il premio Breakhrough non limita il numero dei premiati, a differenza del Nobel che può essere invece assegnato a un massimo di tre scienziati e non a collaborazioni internazionali.

Tra gli anni ’60 e ’70, i fisici hanno sviluppato il Modello Standard della Fisica delle particelle, che descrive tre delle quattro forze note della natura: l’elettromagnetismo e le forze nucleari forti e deboli.

Il modello standard ha avuto un notevole successo nel corso degli anni, arrivando a predirre l’esistenza del bosone di Higgs, scoperto nel 2012.
I bosoni sono, con i fermioni, uno dei due tipi di particelle conosciute. Le due classi di particelle si distinguono per i loro “spin” divergenti o momento angolare.

I fermioni, che includono quark, leptoni e tutte le particelle composite, hanno spin semiintero. La particella di Higgs, i gluoni e altri bosoni hanno spin interi.

Questa distinzione è causa grandi differenze di comportamento tra le particelle; i fermioni, ad esempio, costituiscono la materia “normale” o barionica di qui siamo fatti, quark, elettroni, ecc.; i bosoni invece trasportano le forze.

Il modello standard tuttavia non è completo, perché non tiene conto della quarta forza fondamentale, la gravità, che è descritta dalla teoria della relatività generale di Albert Einstein.

Inoltre, le masse effettive di molte particelle sono molto più basse di quelle previste dal modello. Perciò i fisici sono alla continua ricerca di un miglioramento del modello standard e la prima innovazione risale al 1973, con la “Supersimmetria”.

La Supersimmetria presuppone che ogni bosone sia accoppiato con un “superfermione” e ogni fermione con un “superbosone”.

Anche la nuova teoria, inizialmente non includeva la gravità, ma nel 1975 Freedman capi che la supersimmetria poteva essere estesa per includere la gravità.

Tale inclusione implicherebbe che il gravitone, la supposta particella di base della gravità, abbia un partner supersimmetrico chiamato gravitino. Freedman e van Nieuwenhuizen, lavorando presso lo Stony Brook, iniziarono a mettere insieme le loro competenze per risolvere il problema.

La teoria iniziò davvero a prendere corpo quando, durante una visita a Parigi, Freedman incontrò Sergio Ferrara, che allora lavorava al CERN. Quando tornò negli Stati Uniti quell’anno, Freedman disse: “Pensavo di trovare il resto tra due settimane. Ma non è andata cosi“.

A Freedman e Van Nieuwenhuizen servirono molti mesi di laboriosi calcoli, alcuni eseguiti utilizzando le strutture informatiche del Brookhaven National Laboratory. Affinché la teoria funzionasse, dovevano dimostrare che circa 2.000 termini nelle loro equazioni complesse veniano annullati a zero.

Van Nieuwenhuizen ricorda la notte in cui i risultati arrivarono sulla linea telefonica da Brookhaven: tutti i 2000 zeri, uno alla volta. “Tutta la mia vita è stata completamente cambiata quella notte“, a detto. Freedman, van Nieuwenhuizen e Ferrara pubblicarono la loro teoria nel 1976.

La Supergravità serve ad estendere la teoria della relatività generale. Ad esempio, Witten ha incorporato la supergravità nella sua dimostrazione del 1981 del teorema dell’energia positiva nella relatività generale – lavoro per il quale ha ricevuto la prestigiosa medaglia Fields nel 1990.

La supergravità ha influenzato profondamente la fisica teorica negli ultimi quattro decenni, ha dimostrato di essere una spiegazione praticabile per i fenomeni che osserviamo nell’universo – compresi i fenomeni gravitazionali.

E la supergravità è diventata parte integrante della teoria delle stringhe,una teoria candidata a diventare forse la “teoria del tutto” che postula che ciò che osserviamo come particelle sono in realtà piccole cordicelle vibranti.

I gravitini potrebbero essere un componente della materia oscura, forse il costituente principale. Ma non sappiamo ancora se questa particella, o una qualsiasi delle altre ipotetiche superparticelle, esistono realmente; nessuna di esse è stata osservata fino ad oggi.

Questo potrebbe essere dovuto ai limiti dei nostri acceleratori di particelle: potremmo dover costruire qualcosa di molto più grande e più potente del Large Hadron Collider (LHC) che ha rivelato il bosone di Higgs.

Se lo facessimo e non riuscissimo a vedere il gravitino, forse la supergravità potrebbe rimanere solo una bella teoria.

Sono passati oltre quattro decenni dalla formulazione della teoria e i ricercatori si sono detti contenti del riconoscimento.

“E’ stata una grande sorpresa, non ci pensavamo assolutamente“, ha commentato Ferrara riferendosi anche ai colleghi premiati con lui.

“In passato ho vinto premi importanti, ma non di questa caratura: francamente non ci aspettavamo questo premio, così prestigioso da essere confrontabile al Nobel e assegnato da scienziati di altissimo livello: siamo molto contenti“. Ha commentato lo scienziato italiano.