particles_interactions

SMASH, un ‘frullatore’ di teorie

Cinque dei più grandi problemi della fisica fondamentale potrebbero essere risolti in un solo colpo. È quanto emerge da uno studio guidato da Guillermo Ballesteros dell’Università di Paris-Saclay in Francia e collaboratori che propongono un nuovo modello, denominato SMASH e basato sul modello standard della fisica delle particelle elementari, per spiegare la materia scura, l’oscillazione del neutrino, la bariogenesi, l’inflazione cosmica e la simmetria carica-parità (CP).

Schema delle particelle elementari, con le tre generazioni di fermioni, i bosoni di gauge e il bosone di Higgs.

Il modello standard rappresenta un insieme di particelle e interazioni per descrivere i mattoni fondamentali della natura. Nonostante abbia superato numerosi test sperimentali, esso non spiega alcuni fenomeni. Ad esempio, non sappiamo ancora qual è la vera origine e natura della materia scura, quell’enigmatica sostanza che costituisce circa l’85 percento della materia presente nell’Universo. Non sappiamo come mai esista più materia che antimateria, né perché l’Universo durante la sua primissima fase iniziale evolutiva, detta inflazione, sia cresciuto così rapidamente. La lista continua. Insomma, c’è qualcosa che ancora manca nel modello standard. «Forse abbiamo bisogno di altre nuove particelle», dice Mikhail Shaposhnikov del Swiss Federal Institute of Technology a Lausanne in Svizzera che non ha partecipato allo studio. «La domanda è: quante particelle abbiamo bisogno?»

Alcuni modelli, come la supersimmetria, introducono centinaia di particelle, nessuna delle quali è stata rivelata nei grandi acceleratori come LHC. Tuttavia, SMASH ne aggiunge appena sei: tre neutrini, un fermione e un campo che comprende due particelle. «Si tratta di un approccio ragionevole», aggiunge Shaposhnikov. «Inizierei assumendo che il numero di nuove particelle sia molto piccolo. E poi, si possono aggiungere altre particelle solo se ne abbiamo bisogno». SMASH rappresenta una sorta di “frullatore” di varie teorie che parte dal modello introdotto nel 2005 da Shaposhnikov (arXiv1; arXiv2) e in cui vengono aggiunti tre neutrini, ai tre già noti, in modo da risolvere quattro problemi fondamentali della fisica: stiamo parlando della materia scura, dell’inflazione, di alcune domande aperte sulla natura dei neutrini e dell’origine della materia. Il modello SMASH aggiunge, inoltre, un campo scalare per spiegare in parte questi problemi in maniera leggermente diversa. Questo campo include due particelle: l’assione, una delle particelle candidate per spiegare la materia scura, e l’inflatone, la particella che sta alla base del meccanismo della rapida espansione esponenziale dello spazio. Infine, SMASH utilizza il campo scalare per introdurre la soluzione a un quinto puzzle: il problema della simmetria CP che spiegherebbe come mai c’è più materia che antimateria nell’Universo. «La cosa migliore della teoria è che può essere testata entro i prossimi dieci anni», fa notare Andreas Ringwald che lavora al German Electron Synchrotron, DESY, in Hamburg, e co-autore dello studio. «Si possono inventare nuove teorie, ma se possono essere testate solo tra cent’anni, o forse mai, allora non si fa vera scienza ma parliamo di fantascienza».

smash
La figura 3 di Ballesteros et al. mostra le predizioni di SMASH per l’accoppiamento assione-fotone (linea solida nera orizzontale) con gli attuali limiti sull’assione di materia scura (ADMX, BRF) e per i futuri esperimenti sull’assione quali ADMX2(3), CULTASK, MADMAX, ORPHEUS, X3 e l’elioscopio IAXO. Credit: Ballesteros et al. 2016

SMASH predice che l’ipotetica particella assione sia almeno 10 miliardi di volte più leggera dell’elettrone. Queste particelle estremamente leggere potrebbero essere utilizzate dall’esperimento CULTASK situato nella Corea del Sud o dall’esperimento ORPHEUS negli Stati Uniti o ancora dall’esperimento MADMAX in Germania. Insomma, ciò non vuol dire che siamo alla fine dei giochi poiché si tratta, invece, di una sorta di gioco che continua. Nel corso dei prossimi anni, i fisici, di fatto, continueranno a competere per cercare di costruire un modello migliore. «La battaglia è in corso», conclude Ringwald.

arXiv: Unifying inflation with the axion, dark matter, baryogenesis and the seesaw mechanism

arXiv: Standard Model - Axion  - Seesaw  - Higgs Portal Inflation. Five problems of particle physics and cosmology solved in one stroke