L'ultima frontiera dell'unificazione: l'originaria simmetria dell'universo e le sue implicazioni cosmologiche

L'ultima frontiera dell'unificazione: l'originaria simmetria dell'universo e le sue implicazioni cosmologiche

Verso la metà del ventesimo secolo, la conoscenza del mondo microscopico si riassumeva nell'esistenza di un limitato numero di particelle apparentemente capaci di descrivere tutto il mondo visibile e quello fino ad allora esplorato dagli esperimenti. Combinando opportunamente protoni, neutroni ed elettroni era possibile ricostruire tutti gli atomi dei diversi elementi chimici, sistematicamente raccolti nella tavola di Mendeleev.

Il positrone rappresentava una finestra aperta sull'ancora poco conosciuto antimondo. Era poi comunemente accettata l'esistenza di una particella materiale neutra e priva di massa, chiamata neutrino da Enrico fermi, senza la quale il decadimento beta avrebbe violato l'universale e indiscusso principio di conservazione dell'energia. Accanto a queste particelle andava considerato il fotone, incarnazione dell'aspetto corpuscolare della luce e messaggero della forza elettromagnetica. Rimaneva ancora misterioso il ruolo del muone assimilabile, per la sua proprietà di interagire con la forza elettromagnetica ma non con quella forte, ad un fratello più pesante dell'elettrone. Infine apparve il pione, che aprì il capitolo della ricerca sulla natura delle forze fondamentali e sulla loro unificazione.

Tutti i fenomeni naturali possono essere interpretati come manifestazioni di quattro tipi diversi di forze: la forza gravitazionale, quella elettromagnetica, quella forte e quella debole. La forza gravitazionale genera il peso dei corpi e regola la stabilità dei moti celesti. La forza elettromagnetica lega elettroni e nuclei per formare gli atomi. La forza forte tiene uniti i protoni e i neutroni all'interno del nucleo atomico ed è responsabile delle enormi quantità di energia prodotte quotidianamente nelle centrali nucleari o dall'esplosione di una bomba atomica. La forza debole non produce aggregazioni di materia. Tuttavia essa regola, ad esempio, il processo di combustione del Sole; è grazie ad essa che il flusso di energia solare sul nostro pianeta ha valori adatti a permettere la nostra esistenza. La forza debole è anche la causa probabile del fatto che, mentre l'universo primordiale era composto di parti uguali di materia e antimateria, oggi viviamo invece in un mondo fatto quasi esclusivamente di materia. La caratteristica fondamentale che diversifica queste quattro forze fondamentali è la loro intensità, cioè la concentrazione di potenza dei fenomeni che esse producono.

Cinquant'anni di ricerca con gli acceleratori di particelle hanno prodotto un'ingente mole di nuove informazioni. La conseguente evoluzione del quadro appena descritto può essere riassunta nei seguenti punti essenziali. Il numero delle particelle subatomiche conosciute è cresciuto fino a superare il numero di ben duecento diverse varietà, con masse crescenti fino a circa cento volte quella del protone e per ognuna delle particelle identificate è stata scoperta l'esistenza di una corrispondente antiparticella.

È stato individuato un criterio di razionalizzazione di questa cospicua popolazione di oggetti in termini di pochi costituenti, caratterizzati da un grado maggiore di elementarità: secondo tale criterio, la totalità della materia fino ad oggi conosciuta, nelle sue forme stabili ed instabili, può essere ricostruita combinando opportunamente tra loro due categorie essenziali di particelle, quark e leptoni. Esistono sei tipi di quark (up, down, charm, strange, top e beauty), oltre i sei corrispondenti antiquark. I quark hanno la proprietà di essere sensibili a tutti i tipi d'interazione fondamentale. Immuni alla forza forte sono invece i leptoni, categoria a cui appartengono l'elettrone(e il positrone), il muone (e l'antimuone), il leptone tau (con la sua antiparticella), tre tipi di neutrino (neutrino elettronico, neutrino muonico e neutrino tauonico, oltre ai corrispondenti antineutrini). Nello stesso modo in cui protone, neutrone ed elettrone rendevano conto di tutto il creato conosciuto negli anni quaranta, così i quark e i leptoni sono sufficienti nel loro insieme ad interpretare l'aspetto materiale della natura fino ad oggi identificato. In particolare, le possibili combinazioni di due o tre quark o antiquark riproducono perfettamente la molteplice varietà di particelle materiali scoperte negli ultimi cinquant'anni. Ad esempio, oggi sappiamo che lo stesso pione è in realtà formato da un quark up e un antiquark down.

È stato raggiunto inoltre un nuovo livello di comprensione riguardo alla natura delle forze che agiscono fra i componenti ultimi della materia. Grazie alle ricerche fatte con gli acceleratori possiamo oggi annoverare, accanto al fotone e al gluone (successore del pione nel ruolo di trasportatore dell'interazione forte), altre particelle messaggere di forze fondamentali: nel 1983 furono osservate al CERN le particelle W⁺, W^- e Z, portatrici della forza debole. Questa scoperta rappresentò un'ulteriore evidenza nella direzione di una progressiva unificazione delle principali forze agenti in natura.

L'esistenza delle particelle W⁺, W^- e Z era infatti il tassello mancante alla conferma dell'ipotesi, avanzata anni prima da alcuni fisici, secondo cui le forze di tipo elettromagnetico (trasportate dal fotone) e la forza debole (per la quale si prediceva, appunto, l'esistenza di tre particelle mediatrici dotate di massa) sono solo due forme diverse di una stessa realtà fisica, la cosiddetta forza elettrodebole. W⁺, W^- e Z sono quindi "sorelle" pesanti del fotone: in questo senso si può pensare all'interazione debole, che esse trasportano, come ad una sorte di luce massiva.

Queste conquiste sono da considerarsi come tappe di un più lungo cammino che dovrebbe, un giorno, portarci a vedere riunite in unico codice di leggi la forza elettrodebole, quella forte e quella gravitazionale. I fisici credono infatti che, quando l'universo era ai primi stadi della sua formazione e la sua temperatura estremamente alta, le forze elettrodebole, forte e gravitazionale si comportassero effettivamente come una sola forza.

Ma le questioni rimaste aperte sono più di una. Com'è possibile spiegare la varietà dei di tipi e di masse delle particelle? Esiste davvero una differenziazione netta tra particelle costituenti della materia (quark e leptoni) e particelle mediatrici delle interazioni (fotone, gluone, W⁺, W^- ,Z e gravitone)? Perché nell'universo attuale l'antimateria ha ceduto quasi completamente il passo alla materia? Il concetto che meglio sintetizza la condizione di estrema semplicità che gli scienziati ipotizzano per l'universo primordiale si chiama simmetria. I filosofi greci avrebbero forse usato al suo posto il termine armonia.

In geometria si dice che un'entità è dotata di una simmetria quando una certa operazione di trasformazione la lascia apparentemente immutata. Una delle più accreditate teorie di unificazione globale della fisica è la cosiddetta supersimmetria. Essa nasce dall'ipotesi che nell'universo delle origini esistesse una simmetria esatta tra le due categorie di particelle già oggi conosciute: i cosiddetti fermioni (dal nome di Enrico Fermi), cioè le particelle di materia (tra le quali quark e leptoni), e i bosoni (dal nome del fisico indiano Nath Bose), cioè la particelle portatrici d'interazione (come fotone, gluone, W⁺, W^- ,Z e gravitone).

Perché ciò sia possibile essa prevede, in particolare, che per ognuna delle particelle conosciute ne esista una (ancora da scoprire), detta superpartner, appartenente alla categoria complementare: ad esempio esisterebbe per ogni quark (fermione) un corrispondente squark (bosone), così come il fotone (bosone) avrebbe un corrispondente fermione, detto fotino, e così via.

Nell'istante immediatamente successivo al big bang, evento esplosivo avvenuto circa quindici miliardi di anni fa, l'universo sarebbe stato perfettamente supersimmetrico: nulla sarebbe cambiato nel suo aspetto e nei suoi meccanismi scambiando tra loro i bosoni con i fermioni, cioè le particelle con le corrispondenti superpartner. L'ipotesi è ammissibile anche perché si crede che, sempre nei primi istanti dopo la creazione, tutte le particelle fossero prive di massa, cioè di una delle loro principali caratteristiche distintive.

Con l'inflazione ed il conseguente raffreddamento, l'originale, perfetta simmetria dell'universo si sarebbe rotta: le particelle avrebbero assunto le loro masse attuali, differenziandosi così l'una dall'altra e dando il via all'annichilazione tra particelle e rispettive antiparticelle; la stessa cosa sarebbe successa anche ai portatori d' interazione, che, inizialmente indistinguibili, avrebbero gradualmente acquisito individualità, dando luogo alla varietà delle interazioni fondamentali oggi osservate.

Ricostruzione digitale dell'universo dopo i primi istanti successivi al big bang

Gli studi teorici sul big bang sono molto complessi e non permettono di chiarire in modo risolutivo l'esatta sequenza degli eventi che si sono verificati nei primi istanti, tuttavia si pensa che nei primi tre minuti, partendo da uno stato di singolarità in cui materia e interazioni fondamentali erano concentrate in un unico punto, siano state create dapprima le particelle più semplici, poi protoni e neutroni, che, in seguito, avrebbero dato origine a nuclei di atomi di elio e deuterio. In un tempo successivo, si sarebbero formati gli atomi e le forme più complesse di aggregazione. Le prove più importanti a sostegno del modello del big bang sono la radiazione cosmica di fondo, cioè una sorta di radiazione fossile del big bang che permea l'universo, e il moto di recessione delle galassie scoperto da Edwin Powell Hubble (1889 - 1953) nel 1929 che altro non è che il movimento di allontanamento delle galassie rispetto alla Via Lattea.

L'universo attuale è, chiaramente, non più supersimmetrico, visto che di nessuna particella nota si incontra altrettanto abitualmente il superpartner: il fatto che i superpartner, qualora esistano, siano oggi totalmente sconosciuti è giustificato dall'elevato valore che le loro masse dovrebbero avere.

BIBLIOGRAFIA

Geografia generale - Ivo Neviani, Cristina Pignocchino Feyles - Internazionale Torino

L'elettromagnetismo - Ugo Amaldi - Zanichelli editore

L'universo strano: idee al confine dello spazio-tempo - Tom Siegfried - Edizioni Dedalo

La comunicazione filosofica volume 3 - Domenico Massaro - Paravia

La fisica moderna - Ugo Amaldi - Zanichelli editore

La teoria quantistica - David Bohm - Courier Dover Edizioni

Le forme di Dirac - S. Boffi - Bibliopolis edizioni

Relatività: esposizione divulgata - Virginia Geymonat - Boringhieri editore