Cosmologia, Fisica, Intervista

La Gerarchia e la Materia Oscura

Rieccomi sulle pagine di Pagine di Natura dopo un periodo di assenza dovuto ad alcuni impegni di lavoro che hanno richiesto tempo ed energie. Torno però a scrivere grazie ad una sorpresa e cioè la risposta del prof. Tomasiello alle domande che quest’anno sto rivolgendo ai fisici teorici italiani sulla loro cariera e su come si sviluppi il loro lavoro. Con questo post spero di porter tornare a scrivere con più regolarità. Ma ora cominciamo a leggere le risposte del professor Tomasiello.

Chi è Alessandro Tomasiello? Qual’è stato il suo viaggio nella fisica?

Mi sono laureato alla Scuola Normale di Pisa, e ho ottenuto un dottorato in Fisica Matematica alla SISSA di Trieste. Ho poi lavorato per otto anni da “post-doc” all’estero: all’Ecole Polytechnique e all’IHES di Parigi, e alle universita` di Stanford e Harvard negli Stati Uniti. Dal 2009 sono ricercatore all’Universita` di Milano-Bicocca.

In cosa consiste, al giorno d’oggi, il lavoro del Fisico Teorico?

Da sempre la fisica cerca di capire i principi ultimi dell’Universo; di cosa e` fatto, come e quando e` cominciato, come finira`. Da un lato si tratta di concepire teorie, dall’altro di metterle alla prova con esperimenti. Questi due aspetti della Fisica si influenzano a vicenda; da un lato, i dati sperimentali suggeriscono idee teoriche; dall’altro, queste ultime suggeriscono possibili esperimenti per metterle alla prova. Negli ultimi decenni, nell’ambito della fisica delle particelle elementari (di cui mi occupo io), teoria e esperimento si sono purtroppo sempre piu` allontanati, soprattutto per via della crescente complessita` degli esperimenti necessari per capire la struttura del mondo a scale sempre piu` piccole. Nella pratica, questo vuol dire che il tempo d’attesa per avere un riscontro sperimentale a un’idea teorica si e` allungato sempre di piu`. Ci sono idee proposte da decenni, come la supersimmetria e la teoria delle stringhe, che ancora attendono un responso; se per la supersimmetria (almeno in una delle sue versioni) sembra finalmente arrivata l’ora della verita`, per la teoria delle stringhe l’attesa sembra ancora lunga.

Naturalmente i teorici nel frattempo non stanno con le mani in mano. Ci sono diverse figure di fisico teorico; alcuni, detti ‘fenomenologi’, si ispirano ai piu` recenti dati sperimentali per formulare modelli forse incompleti ma che possano essere messi alla prova relativamente in fretta. All’altro estremo, alcuni teorici provano a formulare teorie “del tutto”, che descrivano tutti i mattoni fondamentali dell’Universo in un quadro unitario. Io faccio parte di quest’ultima categoria.

E’ possibile individuare quali siano i problemi fondamentali da risolvere per la Fisica Teorica? A che punto è la loro soluzione?

Anni di ricerche hanno portato negli anni Settanta alla formulazione di un “modello standard” delle particelle elementari. Esso descrive i fenomeni quantistici di tutte le particelle di materia note, e di tre delle forze fondamentali: l’elettromagnetismo, la forza “forte” che tiene assieme i quark in protoni e neutroni, e la forza “debole” responsabile della radioattivita`.

Il modello e` in incredibile accordo con i dati sperimentali. Ha pero` una vistosa omissione: non descrive la forza di gravita`, che e` invece e` coperta dalla relativita` generale di Einstein. Per varie ragioni, ci si aspetta che anche questa teoria vada modificata per tener conto della meccanica quantistica (e che per esempio venga emessa in quanti detti “gravitoni”). I formalismi usati sono pero` antitetici, e l’unificazione tra relativita` generale e meccanica quantistica e` forse la sfida piu` grande della fisica moderna. (Una soluzione proposta e` la teoria delle stringhe che menzionavo prima; proprio di questa teoria mi occupo io.)

Un altro problema, detto “della gerarchia”, riguarda il fatto che la gravita` e` molto piu` debole delle altre interazioni. Alle scale tipiche della fisica nucleare, queste ultime hanno intensita` grosso modo comparabile; la gravita` e` invece molto piu` debole e viene solitamente trascurata. Questa disparita` puo` a prima vista sembrare una semplice ‘scelta’ della natura. In meccanica quantistica tuttavia e` difficile ottenere in maniera ‘naturale’ disparita` di questo tipo. Per capire perche’, pensiamo alla pietra angolare del modello standard: la cosiddetta particella di Higgs, scoperta sperimentalmente l’anno scorso e la cui teorizzazione, avvenuta negli anni Sessanta, e` stata premiata da poco con un Premio Nobel. Ebbene, la massa di questa particella tenderebbe naturalmente a crescere per fenomeni quantistici: intuitivamente, essa verrebbe circordata da una nube di altre particelle che la renderebbero pesante fino a scale tali da rendere rilevante la gravita`. Il modello e` pero` solo in accordo coi dati sperimentali se si suppone che questo non avvenga, e che la particella di Higgs rimanga molto piu` leggera. Cio` richiede di postulare finissime coincidenze (stiamo parlando di parecchie cifre decimali) tra gli altri parametri della teoria. In altre parole, la gerarchia tra la gravita` e le altre forze verrebbe annullata da fenomeni quantisci, e viene invece postulata “ad hoc” per mantenere l’accordo con gli esperimenti.

Materia Oscura

Materia Oscura

Altri problemi spinosi emergono guardando al grande invece che al piccolo, cioe` all’Universo nel suo complesso. E` emerso negli ultimi anni che solo il 5% circa della sua energia totale e` dovuta a materia ‘ordinaria’, cioe` a particelle note (come quelle che compongono le stelle e i gas interstellari). Un altro 20% circa e` dovuto a particelle di “materia oscura”, invisibili ma la cui forza di gravita` ha effetti su larga scala; non sono mai state osservate direttamente, e non sono quindi descritte dal modello standard. Il restante 70% e` dovuto infine a una ancora piu` misteriosa “energia oscura”. Le teorie quantistiche come il modello standard prevedono in realta` un fenomeno simile, ma ne sbagliano l’entita` per centoventi ordini di grandezza… a meno, ancora una volta, di coincidenze come quella che abbiam visto per il problema della gerarchia. Ma ai fisici non piacciono le coincidenze, e sulla questione il dibattito infuria.

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