Caccia a una nuova teoria fondamentale dell'universo: una questione di precisione

Mi sento fortunato a vivere in un periodo scientifico così emozionante, specialmente per la fisica delle particelle. È come trovarsi in una grande caccia al tesoro attraverso sentieri pieni di enigmi. I tesori in palio sono le leggi che descrivono i mattoni che compongono la materia, le cosiddette particelle elementari. Particelle che, almeno per quanto sappiamo, non sono fatte da componenti più piccole, ma sono uniche e indivisibili, come i quark che compongono protoni e neutroni del nucleo atomico, gli elettroni che vi “orbitano” intorno, ma anche particelle come fotoni e gluoni, che “trasportano” le forze della natura.

In oltre 50 anni di ricerche, i risultati di decine di esperimenti hanno consolidato una teoria, il Modello Standard, in grado di predire il comportamento dei più piccoli costituenti della materia conosciuti. L’ultimo tassello è stato trovato nel 2012 grazie all’acceleratore Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra, con la scoperta del bosone di Higgs, la particella che conferisce massa alla materia.

Ma ci sono ancora molti tesori da scoprire. Infatti, iI Modello Standard non spiega alcuni fenomeni importanti che potrebbero essere dovuti a forze e particelle ancora sconosciute. Ad esempio, nell’universo ci sono molte più particelle rispetto alle loro sorelle di carica opposta, le antiparticelle. Secondo il Modello Standard, queste due si sarebbero prodotte in quantità pressoché identiche nell’universo primordiale. C’è quindi un fenomeno sconosciuto che genera le antiparticelle in eccesso? Anche da un punto di vista puramente teorico, il Modello Standard non dà tutte le risposte che vorremmo. Per esempio questa teoria non ci permette di spiegare alcune proprietà delle particelle: la più massiva, il quark top, pesa 100 miliardi di volte più del neutrino, la più leggera, e non capiamo il perché.

La ricerca di nuovi tesori continua e gli acceleratori di particelle come LHC sono fonti di indizi preziosi. Qui, fasci di protoni vengono fatti scontrare gli uni contro gli altri a velocità vicinissime a quelle della luce. Quattro esperimenti – ATLAS, CMS, LHCb e Alice – osservano cosa accade negli urti, raccogliendo un’enorme quantità d’informazioni sulle particelle prodotte e sulla loro energia. 

Il solo CMS riporta che il flusso di dati attraverso i propri rivelatori è di oltre 60 TB al secondo!

Scavando in questa miniera di dati possiamo capire quali reazioni vengono innescate dalla collisione tra protoni. Ad esempio, lo studio dell'emissione di coppie di fotoni ad alta energia ha giocato un ruolo chiave nella scoperta del bosone di Higgs. Grazie al continuo miglioramento delle tecniche sperimentali e alla grande quantità di dati raccolti, nel prossimo decennio gli urti tra protoni potranno essere descritti con una precisione molto elevata.

Sarà un test cruciale per il Modello Standard. Verranno rispettate le sue previsioni oppure vedremo delle discrepanze, facendo emergere l’impronta di una nuova teoria? Per esempio, si prevede che ogni minuto a LHC vengano prodotti circa 60 bosoni di Higgs. Se ne vedessimo di più (o di meno) avremmo una prova che c’è un errore nel Modello Standard e si aprirebbe la strada a una nuova teoria fondamentale della materia.

Per rispondere a questo tipo di domande non basteranno le sole misurazioni fatte a LHC, ma dovremo migliorare le nostre predizioni teoriche sui risultati di questi esperimenti. Spingere i calcoli teorici fino al livello di precisione necessario è una vera sfida.

Nell’ultimo anno ho avuto la fortuna di lavorare al progetto "QCDchallenge", con cui ho vinto una MSCA Postdoctoral Fellowship, presso i dipartimenti di fisica delle università di Torino e Zurigo, due centri all’avanguardia nello studio delle particelle. Per me è un’occasione unica poter contribuire alla crescita di idee che porteranno le predizioni teoriche per LHC a un livello di accuratezza ancora inesplorato: l'obiettivo è di ridurre l'incertezza sui risultati all'1%. Per fare ciò avremo bisogno di mettere in dialogo i progressi della matematica pura con  l’avanguardia della fisica sperimentale.

In particolare, sto lavorando su un settore del Modello Standard conosciuto come cromodinamica quantistica (QCD), che descrive l’interazione tra due tipi di particelle elementari, i quark e i gluoni, che insieme formano i protoni e i neutroni che troviamo nei nuclei atomici.

Quando, come avviene a LHC, due protoni collidono, i quark e i gluoni al loro interno interagiscono tra loro, scambiandosi energia e dando vita ad una serie di reazioni. Per studiare ogni processo che avviene a LHC, abbiamo innanzitutto bisogno di conoscere esattamente la composizione dei protoni e l'energia che i quark e i gluoni apportano alla collisione. Una parte del mio progetto tenta quindi di rispondere alla domanda: come sono composti i protoni e come possiamo descriverli con estrema accuratezza?

La QCD però non aiuta solo a capire la struttura iniziale dei protoni, ma anche a prevedere cosa succede quando queste particelle collidono. Un’altra parte del progetto infatti studia le ampiezze di scattering, ingredienti essenziali per calcolare la probabilità con cui si formano i prodotti finali delle reazioni innescate dall’urto. Per migliorare la nostra capacità di interpretare i dati sperimentali di LHC, è quindi necessario perfezionare i modelli teorici e sviluppare metodi che rendano le predizioni della QCD più precise.

La caccia al tesoro per una nuova teoria sta per entrare nel vivo dell’azione: c’è tanto lavoro da fare e sono tantissime le cose da scoprire. Chiunque si emozioni nello scoprire i lati nascosti della natura non potrebbe chiedere di meglio.