Alla ricerca dei segreti dell’universo, gli scienziati aspirano a creare un modello che mostri come tutte le forze e le particelle della natura si integrino tra loro. Sarebbe bello farlo con i Lego, ma forse una scommessa migliore sarebbe collegare tutto con delle stringhe.
Non si tratta di stringhe letterali, ovviamente, ma di minuscoli anelli o frammenti di energia vibrante. E l’integrazione deve essere matematica, non tramite pezzi di plastica dalla forma corretta. Da decenni, molti fisici hanno perseguito la speranza che equazioni che coinvolgono una ”stringa” particolarmente piccola possano fornire la teoria che risolve i misteri subatomici della natura.
Teoria delle stringhe: una visione moderna
La teoria delle stringhe, come viene chiamata, ha acquisito una sorta di riconoscimento culturale, apparendo in popolari programmi televisivi come The Big Bang Theory e NCIS. Tra i fisici, la reazione alla teoria è stata mista. Dopo diversi promettenti scatti di scoperta negli anni ’80 e ’90, le stringhe sono cadute un po’ in disgrazia per non aver mantenuto le loro promesse. Tra queste, fornire il modo corretto di includere la gravità nella teoria quantistica delle particelle subatomiche. Un’altra era rivelare la matematica che avrebbe mostrato le molteplici forze fondamentali della natura come semplici derivazioni di una forza unificata. Promesse ancora non mantenute.
Tuttavia, durante il tempo trascorso dal ritiro della teoria delle stringhe dai riflettori, un considerevole gruppo di devoti delle stringhe ha lavorato per legare tutti i fili sciolti. Il successo rimane sfuggente, ma sono stati fatti progressi reali. Le domande che affliggono i fisici non solo sui più piccoli frammenti di materia, ma anche sulle proprietà dell’intero universo, potrebbero ancora cedere agli sforzi dei teorici delle stringhe.
Equazioni della realtà
Un approccio principale in questa ricerca è capire se la teoria delle stringhe possa spiegare ciò che è noto come il Modello Standard della fisica delle particelle. Sviluppato nell’ultima parte del XX secolo, il Modello Standard fornisce una sorta di elenco di tutte le particelle fondamentali della natura. Alcune forniscono i mattoni della materia; altre trasmettono forze tra le particelle di materia, governando il loro comportamento.
Il Modello Standard della fisica delle particelle descrive le forze conosciute della natura e le particelle subatomiche. Includono quark, leptoni e bosoni. I protoni e i neutroni sono composti da quark up e down. I leptoni includono elettroni e neutrini. I fotoni trasmettono la forza elettromagnetica; i gluoni tengono insieme le particelle nel nucleo atomico; e le particelle W e Z trasmettono la forza nucleare debole, importante per alcune forme di radioattività. Il bosone di Higgs è coinvolto nel conferire massa ad alcune particelle.
È piuttosto semplice disegnare un grafico che mostri quelle particelle. Sono necessari 12 spazi per le particelle di materia — sei quark e sei leptoni. Sono necessari quattro spazi per le particelle di forza (collettivamente note come bosoni) più uno spazio per il bosone di Higgs, una particella necessaria per spiegare perché alcune particelle hanno massa. Ma la matematica sottostante al grafico è incredibilmente complessa, una combinazione di equazioni che fanno sembrare i geroglifici autoesplicativi.
Queste equazioni funzionano superbamente per spiegare i risultati di praticamente tutti i comportamenti della fisica delle particelle. Ma il Modello Standard non può essere l’intera storia dell’universo. “Nonostante l’incredibile successo del Modello Standard nel descrivere la fisica delle particelle osservata fino alle scale energetiche attualmente accessibili, ci sono argomenti convincenti per cui è incompleto”, scrivono Marchesano e collaboratori.
Per una cosa, le sue equazioni non comprendono la gravità, che non ha posto nel grafico del Modello Standard. E la matematica del Modello Standard lascia molte domande senza risposta, come il motivo per cui alcune delle particelle hanno le masse precise che hanno. La matematica del Modello Standard non include nemmeno la misteriosa materia oscura che si nasconde all’interno e tra le galassie, né spiega perché lo spazio vuoto è infuso con una forma di energia che fa espandere l’universo a un ritmo accelerato.
La sfida della gravità e della materia oscura
Alcuni fisici che indagano su questi problemi credono che la teoria delle stringhe possa aiutare, poiché una versione a stringa del Modello Standard conterrà matematica aggiuntiva che potrebbe spiegare le sue carenze. In altre parole, se la teoria delle stringhe è corretta, il Modello Standard sarebbe solo un segmento della descrizione matematica completa della realtà della teoria delle stringhe. Il problema è che la teoria delle stringhe descrive molte versioni diverse della realtà. Questo perché le stringhe esistono in un regno con dimensioni multiple dello spazio oltre le tre ordinarie. Un po’ come la Zona del Crepuscolo sotto steroidi.
I teorici delle stringhe ammettono che la vita quotidiana procede bene in un mondo tridimensionale. Pertanto, le dimensioni extra del mondo delle stringhe devono essere troppo piccole per essere notate: devono ridursi, o “compattarsi”, a dimensioni submicroscopiche. È come il modo in cui una formica che vive su un vasto foglio di carta percepirebbe una superficie bidimensionale senza mai rendersi conto che la carta ha una terza dimensione, molto piccola.
Non solo le dimensioni extra della teoria delle stringhe devono ridursi, ma possono anche ridursi in innumerevoli configurazioni diverse, o geometrie, del vuoto dello spazio. Una di queste possibili geometrie potrebbe essere la forma giusta delle dimensioni ridotte per spiegare le proprietà del Modello Standard.
“Le caratteristiche, le domande e i puzzle del Modello Standard possono essere riformulati in termini di geometria delle dimensioni extra”, scrivono Marchesano e collaboratori.
Poiché la matematica della teoria delle stringhe può essere espressa in diverse forme, i teorici devono esplorare molteplici possibili strade per trovare la formulazione più fruttuosa. Finora, sono stati trovati approcci a stringa che descrivono molte caratteristiche del Modello Standard. Ma sono necessarie diverse geometrie di compattazione del vuoto per spiegare ciascuna caratteristica. La sfida, sottolineano Marchesano e colleghi, è trovare una geometria per il vuoto che combini tutte quelle caratteristiche contemporaneamente, incorporando anche caratteristiche che descrivono l’universo conosciuto.
Una compattazione riuscita delle dimensioni extra, ad esempio, produrrebbe un vuoto nello spazio che contenga la giusta quantità di “energia oscura”, la fonte dell’espansione accelerata dell’universo. E i candidati per la materia oscura cosmica dovrebbero apparire anche nella matematica delle stringhe. Infatti, un intero set aggiuntivo di particelle di forza e materia emerge dalle equazioni delle stringhe che coinvolgono una proprietà matematica chiamata supersimmetria. “Quasi tutti i modelli di teoria delle stringhe che assomigliano al Modello Standard mostrano supersimmetria alla scala di compattazione”, scrivono Marchesano e i suoi coautori.
Le versioni della teoria delle stringhe contenenti particelle supersimmetriche sono conosciute con il nome di “teoria delle superstringhe”. Tali “superparticelle” sono state a lungo sospettate di costituire la materia oscura dell’universo. Ma i tentativi di rilevarle nello spazio o di crearle in acceleratori di particelle non hanno finora avuto successo.
Prospettive future e test possibili
Per quanto riguarda la gravità, le particelle che trasmettono la forza gravitazionale appaiono naturalmente nella matematica della teoria delle stringhe, uno dei grandi attrattivi della teoria fin dall’inizio. Ma il fatto che molte formulazioni della teoria delle stringhe includano la gravità non ti dice quale formulazione fornisca la descrizione corretta del mondo reale.
Se la teoria delle stringhe è corretta, le particelle fondamentali della natura non sarebbero gli oggetti puntiformi a zero dimensioni della teoria standard. Invece, particelle diverse risulterebbero da diverse modalità di vibrazione di una stringa unidimensionale, sia un anello che un frammento con estremità attaccate a oggetti spaziali multidimensionali chiamati brane. Tali stringhe sarebbero approssimativamente più piccole di un atomo nella misura in cui un atomo è più piccolo del sistema solare. Molto piccole, senza alcun modo praticabile di rilevarle direttamente. La quantità di energia necessaria per sondare scale così minuscole è ben oltre la portata di qualsiasi tecnologia pratica.
Ma se la teoria delle stringhe può spiegare il Modello Standard, conterrebbe anche altre caratteristiche della realtà che sarebbero accessibili agli esperimenti, come tipi di particelle non inclusi nel grafico del Modello Standard. “Le costruzioni a stringa che realizzano il Modello Standard contengono sempre settori aggiuntivi … a una scala energetica che potrebbe essere testata nel prossimo futuro”, scrivono Marchesano e colleghi.
In definitiva, la teoria delle stringhe rimane un candidato promettente per mettere insieme tutti i pezzi del puzzle cosmico. Se funziona, gli scienziati potrebbero finalmente svelare i misteri su come la relazione della fisica quantistica con la gravità e le proprietà delle particelle e delle forze della natura siano tutte profondamente collegate. “La teoria delle stringhe”, scrivono Marchesano e colleghi, “ha tutti gli ingredienti per aiutarci a comprendere questa connessione profonda”.
