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Stringhe nell’inflazione cosmica?

Due teorici dell’Institute for Advanced Study (IAS) a Princeton hanno proposto recentemente un metodo per trovare delle “evidenze” che facciano luce su una famosa idea che risulta difficilmente verificabile sperimentalmente: stiamo parlando della teoria delle stringhe. Questo metodo si basa sulla ricerca di “particelle reliche” che sarebbero esistite circa 14 miliardi di anni fa, originatesi con una energia 15 miliardi di volte superiore a quella che si ha tipicamente durante una collisione al Large Hadron Collider (LHC). Per far questo, gli scienziati non possono certamente portare il grande collisore adronico a quelle energie, nemmeno avvicinarsi, ma potrebbero rivelare delle “tracce” dell’eventuale esistenza di queste particelle primordiali attraverso osservazioni cosmologiche, grazie soprattutto ad una tecnologia adeguata.

Durante l’inflazione cosmica, quel periodo di rapida espansione esponenziale che accadde 10-33 secondi dopo il Big Bang, le particelle si trovavano in una situazione caotica e collidevano le une con le altre con una energia estremamente elevata. Oggi vediamo i segni di quell’epoca nei resti di quelle minuscole fluttuazioni presenti nella radiazione cosmica di fondo, l’eco della “grande esplosione” iniziale. Gli scienziati, dunque, potrebbero essere in grado di rivelare quelle “particelle fossili” che esistevano durante le primissime fasi della storia cosmica. “Se davvero sono esistite delle particelle ‘nuove’ durante l’inflazione, esse possono aver lasciato una sorta di ‘impronta’ nelle fluttuazioni primordiali e potrebbero essere osservate attraverso uno schema ben preciso“, spiega il fisico teorico Juan Maldacena dell’Institute for Advanced Study (IAS) a Princeton, nel New Jersey. Maldacena e il suo collega Nima Arkani-Hamed dell’IAS hanno eseguito una serie di calcoli nell’ambito della teoria quantistica dei campi per capire che aspetto potrebbero avere questi “schemi”. Ora, la teoria delle stringhe si basa sul concetto secondo cui le unità fondamentali della materia non sono particelle bensì stringhe di energia vibranti e unidimensonali. Lo scopo della teoria è quello di eliminare il conflitto tra la meccanica quantistica e la relatività generale. Nel passato, qualsiasi tentativo di “aggiustare” una teoria per renderla compatibile con l’altra ha causato la distruzione dell’intero sistema teorico. Per ovviare a questo problema, la teoria delle stringhe introduce un nuovo quadro matematico in cui entrambe le teorie (meccanica quantistica e relatività generale) diventano una conseguenza “naturale”. Non solo, ma emerge anche un modo sorprendentemente elegante di unificazione delle forze della natura, così come una descrizione qualitativa corretta di tutte le particelle elementari. Essendo poi un sistema matematico, la teoria delle stringhe fornisce un enorme numero di predizioni. La domanda è: sono verificabili? La risposta è: no, almeno finora. Si ritiene che le stringhe siano gli “oggetti” più piccoli dell’Universo e calcolare i loro effetti su scale relativamente enormi che sono caratteristiche degli esperimenti della fisica delle particelle non è una cosa immediata. I teorici delle stringhe predicono che esistono “nuove particelle” ma non sono in grado di calcolare la loro massa. A rendere poi ancora più grave il problema è il fatto che la teoria delle stringhe descrive una varietà di universi che differiscono per il numero delle forze, particelle e dimensioni. Le previsioni su scale accessibili di energia dipendono da questi dettagli sconosciuti e complicati. Nessun esperimento è in grado di provare in via definitiva una teoria che offre così tante versioni alternative della realtà. Ma gli scienziati stanno lavorando a diversi metodi per tentare di verificare sperimentalmente la teoria, almeno in parte. Una delle previsioni della teoria è l’esistenza di particelle che hanno una proprietà unica: uno spin maggiore di 2. Lo spin è una proprietà fondamentale delle particelle, indica la loro “rotazione intrinseca” e definisce lo stato quantico. Le particelle che non hanno spin decadono in maniera simmetrica. Invece, le particelle che hanno spin decadono in maniera asimmetrica e più grande è lo spin e più complesso risulta il modo con cui decadono le particelle. Schemi estremamente complessi relativi al decadimento di queste particelle, causati dalle collisioni, avrebbero lasciato delle tracce impresse nello spazio cosmico. Dunque, secondo Maldacena e Arkani-Hamed, questi particolari schemi potrebbero essere identificati nelle minuscole fluttuazioni della densità di materia (galassie) presenti nella radiazione cosmica di fondo. Il lavoro dei cosmologi sarebbe perciò quello di misurare le fluttuazioni primordiali su un ampio intervallo di scale di lunghezza in modo da “vedere” possibilmente queste piccole deviazioni. Gli autori hanno calcolato teoricamente quelle che dovrebbero essere le misure aspettate nel caso in cui queste particelle massicce e di spin elevato esistono davvero. I cosmologi stanno attualmente studiando eventuali segnali presenti nella radiazione cosmica di fondo tramite esperimenti come Planck, BICEP e POLARBEAR che studiano la polarizzazione. Tuttavia, i segnali proposti da Maldacena e Arkani-Hamed sono molto più sottili e più suscettibili a interferenze. Perciò, qualsiasi aspettativa sperimentale nel trovare questi segnali è ancora molto lontana.

Insomma, questa ricerca potrebbe portarci verso la scoperta di evidenze che possono far luce sull’esistenza di particelle reliche che hanno lasciato la loro traccia impressa nell’intero Universo. Se qualcuno sarà in grado di provare, o meno, il fatto che il mondo è fatto di stringhe, allora potremo dire che la matematica che sta alla base della teoria delle stringhe potrà essere applicata ad altri campi. Nel 2009, i ricercatori scoprirono che la matematica della teoria delle stringhe poteva essere utilizzata nell’ambito della fisica della materia condensata. Da allora, i fisici hanno applicato la teoria allo studio dei superconduttori. Secondo il fisico teorico Edward Witten dell’IAS, che ha ricevuto la Fields Medal nel 1990 per il suo contributo matematico alla teoria quantistica dei campi e alla supersimmetria, il lavoro di Maldacena e Arkani-Hamed è tra i più innovativi che sono stati presentati quest’anno. Witten e altri ritengono che il successo in altri campi della ricerca indica in realtà che la teoria delle stringhe rappresenti il “cuore” di tutte le altre teorie al livello più fondamentale. “La fisica, come la storia, non si ripete ma con strutture simili che appaiono su scale di lunghezza e di energia diverse, certo fa rima“, conlcude Witten.

Symmetry Magazine: Looking for strings inside inflation
arXiv: Cosmological Collider Physics 

Video di Arkani-Hamed al Perimeter Institute