Notizie dal CERN: niente nuove scoperte, anzi, sì: la Natura non è naturale.

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Dal 3 al 10 agosto si è tenuto a Chicago un importante convegno nel campo della Fisica delle Alte Energie, l’ICHEP. C’era particolare attesa per le relazioni degli scienziati che al CERN stanno raccogliendo nuovi dati dopo il potenziamento dell’LHC, l’acceleratore che ha permesso di scoprire il Bosone di Higgs; infatti, dopo quella scoperta, gli sperimentatori si stanno concentrando (oltre che sulla migliore comprensione delle caratteristiche del bosone stesso) sulla ricerca di nuovi fenomeni, e alcuni dati preliminari raccolti nel 2015 suggerivano la possibilità di una nuova particella non prevista dal Modello Standard della Fisica.

I dati raccolti nel 2016 hanno smentito questa possibilità, e per ora non offrono alcun appiglio per le teorie “oltre il Modello Standard”, come la Supersimmetria. Vediamo perché questo è importante, e cosa potrebbe cambiare nella “filosofia” della ricerca fisica.

Dell’attesa per i risultati che sarebbero arrivati nel 2016 dal CERN, e del perché la scoperta di una nuova particella modificherebbe radicalmente lo scenario attuale della Fisica, abbiamo parlato in un post dedicato appunto alla nuova stagione di raccolta dati dell’LHC;  limitiamoci quindi a dire che il Bosone di Higgs ha in un certo senso chiuso un ciclo di ricerca durato decenni, e che ora i ricercatori sono a caccia di Nuova Fisica, da un lato per spiegare i pochi fenomeni non inclusi nel Modello Standard (il più significativo è probabilmente la cosiddetta materia oscura), dall’altro per ottenere una teoria unificata e soddisfacente che armonizzi le attuali teorie della Gravitazione e della Meccanica Quantistica.

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In pochi mesi del 2016, l’LHC ha già raccolto più dati che nell’intero 2015

 

Ebbene, da questo punto di vista i risultati degli esperimenti del CERN sinora rappresentano una delusione, e sembrano prospettare come realistico quello che è stato chiamato il LHC nightmare scenario, ossia che l’unica vera, grande scoperta dell’LHC sia il Bosone di Higgs, che come abbiamo detto chiude un ciclo, senza dare indicazioni su nuove linee di ricerca. Non che manchino teorie sulla Nuova Fisica: come abbiamo accennato nel post citato, tra esse una delle più studiate è la Supersimmetria, che unita alla Teoria delle Stringhe è alla base della teoria delle Stringhe Supersimmetriche, o Superstringhe, per brevità, che tra le altre cose prevede l’esistenza di almeno sette dimensioni spaziali che non percepiamo.

In realtà, come si può vedere anche sommariamente dall’elenco degli interventi all’ICHEP, i fisici sperimentali, in particolare al CERN, stanno dedicando enormi sforzi alla ricerca di indizi che confermino queste o altre teorie Beyond the Standard Model; pure, finora i risultati sono uniformemente negativi. Non si tratta solo dell’inesistenza dell’ipotetica particella che aveva suscitato interesse anche nei media mainstream: in realtà al CERN nuove particelle, che sarebbero richieste dalla Supersimmetria, sono state cercate in molti modi diversi, e continueranno a esserlo, ma non è stato trovato nulla (una sintesi, ovviamente molto tecnica, si trova in particolare in una delle presentazioni tenute all’ICHEP). Né vi sono tracce di altri nuovi fenomeni, dato che la Supersimmetria non è l’unica teoria che si candida a descrivere la Nuova Fisica.

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I nuovi dati che mostrano l’assenza della nuova particella ipotizzata – Fonte: presentazione di Bruno Lenzi al ICHEP

 

Tutto questo potrebbe essere solo una temporanea battuta d’arresto in un programma di ricerca, ma in realtà le implicazioni sono più profonde (altrimenti perché ne parleremmo qui?). Provo a riassumerne qualcuna, facendo presente peraltro che in questi giorni il dibattito è in corso, e tra i molti post sull’argomento ne segnalo solo uno che trovo molto chiaro e lucido; la situazione a me sembra che sia:

  1. Il Modello Standard della Fisica fondamentale è una teoria di enorme successo che però presenta due categorie di limiti: la prima è che è incompleta: ad esempio, non è unificabile con l’altra grande teoria della Relatività Generale, che descrive con altrettanta efficacia i fenomeni gravitazionali su grande scala, e non spiega l’esistenza della materia oscura; la seconda è che è in molti aspetti una teoria fenomenologica: il Modello Standard non spiega, ad esempio, perché ogni particella ha una determinata massa, ma si limita a misurare i valori delle masse e a includerli nel modello come parametri.
  2. Da parte loro, per superare i limiti del Modello Standard, i fisici teorici hanno sviluppato teorie estremamente sofisticate e difficili da verificare sperimentalmente. Queste teorie, il cui principale esempio è appunto la teoria delle Superstringhe, aspirano a risolvere sia i problemi di completezza che di “eleganza” del Modello Standard, ma modificano profondamente la struttura della Fisica fondamentale (introducendo nuove dimensioni spaziali, sostituendo le particelle con delle “stringhe”, prevedendo numerose particelle mai osservate, eccetera).
  3. Queste teorie “eleganti” non trovano alcuna conferma dagli esperimenti, anzi, tutti gli sforzi in quella direzione sono sinora falliti.

In Fisica Teorica, l’idea che una teoria oltre che “funzionare” debba anche essere “elegante” è profondamente radicata, e questa eleganza si traduce in alcune caratteristiche, di cui una delle principali è probabilmente quella che viene chiamata naturalezza (o, forse meglio, naturalness in inglese). Un ottimo articolo abbastanza accessibile sulla naturalness e su quello che suggerirebbe di attendersi dagli esperimenti al CERN si trova qui, ma, volendo semplificare, il principio di naturalness richiede che in una teoria non compaiano parametri troppo grandi o troppo piccoli rispetto alla sua scala tipica. Da questo punto di vista, il Modello Standard non è naturale, per via della massa del Bosone di Higgs che è “troppo piccola”. Per capire in che senso è troppo piccola, possiamo paragonare la massa del Bosone di Higgs al risultato di un’operazione matematica: supponiamo di prendere il fatturato delle dieci maggiori aziende tedesche, e di sottrarre il fatturato delle dieci maggiori aziende francesi; se il risultato fosse 50 Euro, lo troveremmo strano o innaturale, no? La “scala tipica” dei fatturati di aziende così grandi è di decine o centinaia di miliardi di Euro, e trovare alla fine un risultato “praticamente zero” ci farebbe pensare che dietro ci debba essere un motivo; probabilmente sospetteremmo che ci sia un accordo tra tedeschi e francesi.

Ecco, la questione relativa alla massa del Bosone di Higgs nel Modello Standard è più o meno la stessa: il valore trovato sperimentalmente (circa 125 GeV) è enormemente più piccolo di quanto sarebbe “naturale”, a meno che questo valore così piccolo non venga spiegato da una nuova teoria. Il guaio è che, visti gli ultimi dati raccolti al CERN, è ormai estremamente improbabile che siano esatte le teorie alternative naturali che erano state elaborate, anzi è probabile che nessuna teoria naturale possa spiegare questo valore “anomalo” (chi è interessato può trovare una discussione più dettagliata delle implicazioni di questi risultati qui). Insomma, pur con le cautele del caso (a fine anno, con più dati raccolti, potremo trarre delle conclusioni più certe), possiamo dire che, non scoprendo nulla di nuovo, gli esperimenti del 2016 al CERN hanno in realtà scoperto che la Natura non è naturale.

Ma è davvero un problema? Questa aspettativa dei fisici, ossia che le teorie non includano parametri con valori “innaturali”, è fondata? La mia opinione è che non lo sia. Dire che un valore è innaturale equivale a dire che è improbabile, e che questa improbabilità suggerisce che debba esserci un motivo se quel valore è così piccolo o così grande. Ma in questo caso il concetto di probabilità non ha senso; non stiamo parlando di fenomeni ripetibili per i quali esiste una distribuzione di probabilità e quindi alcuni valori sono “più probabili” di altri. Stiamo parlando dei parametri che determinano l’unica realtà fisica cui abbiamo accesso; non abbiamo modo di attribuire a questi parametri una distribuzione di probabilità, e anzi è ragionevole ritenere che la nozione di probabilità non si applichi affatto a essi. In questo caso, non ha senso parlare di naturalness: tutto è ugualmente naturale, semplicemente perché è. Questo punto di vista è ben argomentato in un articolo che cerca di trarre le conseguenze appunto delle ultime osservazioni al CERN.

Insomma, alla fine di questo 2016 potremmo giungere alla conclusione che il Modello Standard è meno “inelegante” di quanto abbiamo sempre pensato (o meglio, che dobbiamo rivedere la nostra idea di “teoria elegante”), e che non scoprendo nulla di nuovo gli esperimenti al CERN abbiano prodotto un risultato altrettanto importante, sia pure di natura quasi più filosofica che scientifica: l’abbandono del principio di naturalness. In un certo senso, vale in Fisica il principio hegeliano secondo cui ciò che è reale è razionale…

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