Tre fisici che hanno collaborato nella San Francisco Bay Area nel corso dell’ultimo anno hanno ideato una nuova soluzione a un mistero che ha assediato il loro campo per più di 30 anni. Questo profondo puzzle, che ha guidato esperimenti su collidenti di particelle sempre più potenti e ha dato origine alla controversa ipotesi del multiverso, equivale a qualcosa che un brillante studente di quarta elementare potrebbe chiedere: come può un magnete sollevare una graffetta contro l’attrazione gravitazionale dell’intero pianeta?
Nonostante la sua influenza sul moto di stelle e galassie, la forza di gravità è centinaia di milioni di trilioni di trilioni di volte più debole del magnetismo e delle altre forze microscopiche della natura. Questa disparità si presenta nelle equazioni della fisica come una differenza altrettanto assurda tra la massa del bosone di Higgs, una particella scoperta nel 2012 che controlla le masse e le forze associate alle altre particelle conosciute, e l’intervallo di massa previsto di stati gravitazionali della materia non ancora scoperti.
In assenza di prove dal Large Hadron Collider (LHC) europeo a sostegno di una qualsiasi delle teorie precedentemente proposte per spiegare questa assurda gerarchia di massa — inclusa la seducente elegante “supersimmetria” — molti fisici sono giunti a dubitare della logica stessa delle leggi della natura. Sempre più spesso, si preoccupano che il nostro universo potrebbe essere solo una permutazione casuale, piuttosto bizzarra tra innumerevoli altri universi possibili — un vicolo cieco efficace nella ricerca di una teoria coerente della natura.
Questo mese, l’LHC ha lanciato la sua attesissima seconda corsa a quasi il doppio della sua precedente energia operativa, continuando la sua ricerca di nuove particelle o fenomeni che risolverebbero il problema della gerarchia. Ma la possibilità molto reale che non ci siano nuove particelle dietro l’angolo ha lasciato i fisici teorici di fronte al loro “scenario da incubo.”Ha anche ottenuto loro di pensare.
“È nei momenti di crisi che si sviluppano nuove idee”, ha detto Gian Giudice, fisico teorico delle particelle presso il laboratorio del CERN vicino a Ginevra, che ospita l’LHC.
La nuova proposta offre una possibile via da seguire. Il trio è “super eccitato”, ha detto David Kaplan, 46 anni, un fisico teorico delle particelle della Johns Hopkins University di Baltimora, Md., che ha sviluppato il modello durante un anno sabbatico West Coast con Peter Graham, 35, della Stanford University e Surjeet Rajendran, 32, della University of California, Berkeley.
La loro soluzione traccia la gerarchia tra la gravità e le altre forze fondamentali fino alla nascita esplosiva del cosmo, quando, suggerisce il loro modello, due variabili che si stavano evolvendo in tandem improvvisamente si bloccarono. In quell’istante, un’ipotetica particella chiamata “assione” bloccò il bosone di Higgs nella sua massa attuale, molto al di sotto della scala di gravità. L’assione è apparso in equazioni teoriche dal 1977 ed è ritenuto probabile che esista. Eppure nessuno, fino ad ora, ha notato che gli assioni potrebbero essere ciò che il trio chiama “rilassamenti”, risolvendo il problema della gerarchia “rilassando” il valore della massa di Higgs.
“È un’idea molto, molto intelligente”, ha detto Raman Sundrum, un fisico teorico delle particelle presso l’Università del Maryland a College Park che non è stato coinvolto nello sviluppo. “Forse qualche versione di questo è il modo in cui funziona il mondo.”
Nelle settimane da quando la carta del trio è apparsa online, ha aperto “un nuovo parco giochi” popolato da ricercatori desiderosi di rivedere le sue debolezze e prendere la sua premessa di base in direzioni diverse, ha detto Nathaniel Craig, un fisico teorico presso l’Università della California, Santa Barbara.
“Questa sembra una possibilità piuttosto semplice”, ha detto Rajendran. “Non stiamo in piedi sulle nostre teste per fare qualcosa di pazzo qui. Vuole solo funzionare.”
Tuttavia, come hanno notato diversi esperti, nella sua forma attuale l’idea presenta carenze che dovranno essere attentamente considerate. E anche se sopravvive a questo esame, potrebbe richiedere più di un decennio per testare sperimentalmente. Per il momento, hanno detto gli esperti, il relaxion sta scuotendo le viste longheld e incoraggiando alcuni fisici a vedere il problema della gerarchia in una nuova luce. La lezione, ha detto Michael Dine, un fisico presso l’Università della California, Santa Cruz, e un veterano del problema gerarchia, è “non solo rinunciare e supporre che non saremo in grado di capirlo.”
Un Innaturale Equilibrio
Per la baldoria che circonda il 2012 scoperta del bosone di Higgs, che ha completato il “Modello Standard” della fisica delle particelle e guadagnato Peter Higgs e François Englert per il 2013, Premio Nobel per la Fisica, che è venuto come una sorpresa; la particella esistenza e misurata la massa di 125 giga elettronvolt (GeV), concordato con anni di prove indirette. È ciò che non è stato trovato all’LHC che ha lasciato gli esperti sconcertati. Non è emerso nulla che potesse riconciliare la massa di Higgs con la scala di massa prevista associata alla gravità, che si trova oltre la portata sperimentale a 10.000.000.000.000.000 GeV.
“Il problema è che nella meccanica quantistica, tutto influenza tutto il resto”, ha spiegato Giudice. Gli stati gravitazionali super-pesanti dovrebbero mescolarsi meccanicamente con il bosone di Higgs, contribuendo enormi fattori al valore della sua massa. Eppure in qualche modo, il bosone di Higgs finisce leggero. È come se tutti i giganteschi fattori che influenzano la sua massa — alcuni positivi, altri negativi, ma tutte le dozzine di cifre a lungo — si fossero magicamente annullati, lasciando dietro di sé un valore straordinariamente piccolo. L’improbabile cancellazione di questi fattori sembra “sospetta”, ha detto Giudice. “Pensi, beh, ci deve essere qualcos’altro dietro di esso.”
Gli esperti spesso confrontano la massa di Higgs finemente sintonizzata con una matita in piedi sulla sua punta di piombo, spinta in questo modo e in quello da forze potenti come correnti d’aria e vibrazioni della tavola che hanno in qualche modo raggiunto un equilibrio perfetto. “Non è uno stato di impossibilità; è uno stato di probabilità estremamente piccola”, ha detto Savas Dimopoulos di Stanford. Se vi siete imbattuti in una tale matita, ha detto, ” si dovrebbe prima spostare la mano sopra la matita per vedere se c’era qualche stringa che lo tiene dal soffitto. si dovrebbe guardare la punta per vedere se c’è gomma da masticare.”
I fisici hanno cercato allo stesso modo una spiegazione naturale per il problema della gerarchia sin dagli anni ’70, fiduciosi che la ricerca li avrebbe portati verso una teoria più completa della natura, forse anche sollevando le particelle dietro la” materia oscura”, la sostanza invisibile che permea le galassie. “La naturalezza è stata davvero il leitmotiv di quella ricerca”, ha detto Giudice.
Dal 1980, la proposta più popolare è stata la supersimmetria. Risolve il problema della gerarchia postulando un gemello ancora da scoprire per ogni particella elementare: per l’elettrone, un ipotetico “selectron”, per ogni quark, uno “squark” e così via. I gemelli contribuiscono in termini opposti alla massa del bosone di Higgs, rendendolo immune agli effetti delle particelle di gravità super-pesanti (poiché sono annullate dagli effetti dei loro gemelli).
Ma nessuna prova per la supersimmetria o per idee concorrenti — come “technicolor” e “dimensioni extra deformate” — è emersa durante la prima esecuzione dell’LHC dal 2010 al 2013. Quando il collider si è spento per gli aggiornamenti all’inizio del 2013 senza aver trovato un singolo “sparticle” o qualsiasi altro segno di fisica al di là del modello standard, molti esperti hanno ritenuto di non poter più evitare di contemplare un’alternativa forte. E se la massa di Higgs, e implicitamente le leggi della natura, fossero innaturali? I calcoli mostrano che se la massa del bosone di Higgs fosse solo poche volte più pesante e tutto il resto rimanesse lo stesso, i protoni non potrebbero più assemblarsi in atomi e non ci sarebbero strutture complesse — né stelle né esseri viventi. Quindi, cosa succede se il nostro universo è davvero così accidentalmente messo a punto come una matita bilanciata sulla punta, individuato come il nostro indirizzo cosmico da un’inconcepibilmente vasta gamma di universi bolla all’interno di un mare “multiverso” eternamente schiumante semplicemente perché la vita richiede un incidente così scandaloso per esistere?
Questa ipotesi del multiverso, che si è profilata sulle discussioni del problema della gerarchia dalla fine degli anni ‘ 90, è vista come una prospettiva desolante dalla maggior parte dei fisici. “Non so cosa farne”, ha detto Craig. “Non sappiamo quali sono le regole.”Altre bolle del multiverso, se esistono, si trovano oltre i confini della comunicazione della luce, limitando per sempre le teorie sul multiverso a ciò che possiamo osservare dall’interno della nostra bolla solitaria. Senza alcun modo di dire dove si trova il nostro punto dati sul vasto spettro di possibilità in un multiverso, diventa difficile o impossibile costruire argomenti basati sul multiverso sul perché il nostro universo è così com’è. “Non so a che punto saremmo mai convinti”, ha detto Dine. “Come lo risolveresti? Come fai a saperlo?”
The Higgs and the Relaxion
Kaplan ha visitato la Bay Area la scorsa estate per collaborare con Graham e Rajendran, che conosceva perché tutti e tre avevano lavorato in vari momenti sotto Dimopoulos, che era uno degli sviluppatori chiave della supersimmetria. Nell’ultimo anno il trio ha diviso il loro tempo tra Berkeley e Stanford-e le varie caffetterie, i punti di pranzo e le gelaterie che si affacciano su entrambi i campus — scambiando “frammenti embrionali dell’idea”, ha detto Graham, e gradualmente sviluppando una nuova storia di origine per le leggi della fisica delle particelle.
Ispirati da un tentativo di Larry Abbott del 1984 di affrontare un diverso problema di naturalezza in fisica, cercarono di rifondere la massa di Higgs come un parametro in evoluzione, uno che potesse “rilassarsi” dinamicamente al suo piccolo valore durante la nascita del cosmo piuttosto che iniziare come una costante fissa, apparentemente improbabile. “Anche se ci sono voluti sei mesi di vicoli ciechi e modelli davvero stupidi e cose molto barocche e complicate, abbiamo finito per atterrare su questa immagine molto semplice”, ha detto Kaplan.
Nel loro modello, la massa di Higgs dipende dal valore numerico di un campo ipotetico che permea lo spazio e il tempo: un campo di assioni. Per immaginarlo, “pensiamo alla totalità dello spazio come a questo materasso 3-D”, ha detto Dimopoulos. Il valore in ogni punto del campo corrisponde alla compressione delle molle del materasso. È stato a lungo riconosciuto che l’esistenza di questo materasso — e le sue vibrazioni sotto forma di assioni-potrebbero risolvere due profondi misteri: In primo luogo, il campo axion spiegherebbe perché la maggior parte delle interazioni tra protoni e neutroni funzionano sia in avanti che all’indietro, risolvendo ciò che è noto come il problema “forte CP”. E gli assioni potrebbero costituire la materia oscura. Risolvere il problema della gerarchia sarebbe un terzo risultato impressionante.
La storia del nuovo modello inizia quando il cosmo era un punto infuso di energia. Il materasso axion era estremamente compresso, il che rendeva la massa di Higgs enorme. Mentre l’universo si espandeva, le sorgenti si rilassavano, come se la loro energia si diffondesse attraverso le sorgenti dello spazio appena creato. Come l’energia dissipata, così ha fatto la massa di Higgs. Quando la massa è scesa al suo valore attuale, ha causato una variabile correlata a precipitare oltre lo zero, accendendo il campo di Higgs, un’entità simile a molasse che dà massa alle particelle che si muovono attraverso di essa, come elettroni e quark. I quark massicci a loro volta interagivano con il campo degli assioni, creando creste nella collina metaforica che la sua energia stava rotolando giù. Il campo axion si è bloccato. E anche la massa di Higgs.
In quella che Sundrum ha definito una rottura radicale rispetto ai modelli passati, la nuova mostra come la gerarchia di massa moderna potrebbe essere stata scolpita dalla nascita del cosmo. “Il fatto che abbiano messo equazioni a questo in senso realistico è davvero notevole”, ha detto.
Dimopoulos ha osservato il minimalismo sorprendente del modello, che impiega idee per lo più prestabilite. “Le persone come me che hanno investito un po’ su questi altri approcci al problema della gerarchia sono state molto felicemente sorprese dal fatto che non si debba guardare molto lontano”, ha detto. “Nel cortile del modello Standard, la soluzione era lì. Ci sono voluti giovani molto intelligenti per rendersene conto.
“Questo eleva il prezzo delle azioni dell’axion”, ha aggiunto. Recentemente, l’esperimento Axion Dark Matter presso l’Università di Washington a Seattle ha iniziato a cercare le rare conversioni di assioni di materia oscura in luce all’interno di forti campi magnetici. Ora, Dimopoulos ha detto, ” Dovremmo cercare ancora più difficile trovarlo.”
Tuttavia, come molti esperti, Nima Arkani-Hamed dell’Institute for Advanced Study di Princeton, NJ, ha notato che sono i primi giorni per questa proposta. Mentre “è sicuramente intelligente”, ha detto, la sua attuale implementazione è inverosimile. Ad esempio, affinché il campo degli assioni si sia bloccato sulle creste create dai quark piuttosto che superarle, l’inflazione cosmica deve essere progredita molto più lentamente di quanto la maggior parte dei cosmologi abbia ipotizzato. “Aggiungi 10 miliardi di anni di inflazione”, ha detto. “Devi chiederti perché tutta la cosmologia si organizza solo per far sì che questo accada.”
E anche se l’assione viene scoperto, questo da solo non dimostrerebbe che è il “relaxion” — che rilassa il valore della massa di Higgs. Mentre il soggiorno di Kaplan nella Bay Area si snoda, lui, Graham e Rajendran stanno iniziando a sviluppare idee su come testare quell’aspetto del loro modello. Alla fine potrebbe essere possibile oscillare un campo di assioni, ad esempio, per vedere se questo influenza le masse delle particelle elementari vicine, attraverso la massa di Higgs. “Vedresti la massa di elettroni dimenarsi”, ha detto Graham.
Questi test della proposta non avverranno per molti anni. (Il modello non prevede alcun nuovo fenomeno che l’LHC rileverebbe.) E realisticamente, diversi esperti hanno detto, si trova ad affrontare lunghe probabilità. Così tante proposte intelligenti hanno fallito nel corso degli anni che molti fisici sono riflessivamente scettici. Eppure, il nuovo modello intrigante sta offrendo una dose tempestiva di ottimismo.
“Pensavamo di aver pensato a tutto e non c’era nulla di nuovo sotto il sole”, disse Sundrum. “Ciò che questo dimostra è che gli umani sono piuttosto intelligenti e c’è ancora spazio per nuove scoperte.”
Nota del redattore: David Kaplan ospita la serie di video In Theory di Quanta Magazine.
Questo articolo è stato ristampato su Wired.com.