I fisici statunitensi e della Corea del Sud hanno descritto un possibile scenario per l'evoluzione dell'Universo dopo il Big Bang, diverso da quello generalmente accettato dalla scienza. Secondo questo scenario, non sarà più possibile rilevare nuove particelle elementari al Large Hadron Collider (LHC) del CERN. Inoltre, uno scenario alternativo consente di risolvere il problema della gerarchia delle masse. Ricerca pubblicata su arXiv.org
La teoria si chiama Nnaturalness. È determinato sulla scala delle energie dell'ordine dell'interazione elettrodebole, dopo la separazione delle interazioni elettromagnetiche e deboli. Questo era circa dieci a meno trentadue - dieci a meno dodici secondi dopo il Big Bang. Quindi, secondo gli autori del nuovo concetto, esisteva nell'Universo un'ipotetica particella elementare - rechiton (o reheaton, dall'inglese reheaton), la cui disintegrazione ha portato alla formazione della fisica osservata oggi.
Man mano che l'Universo diventava più freddo (la temperatura della materia e della radiazione diminuiva) e piatto (la geometria dello spazio si avvicinava a quella euclidea), il Rechiton si disintegrò in molte altre particelle. Formavano gruppi di particelle che quasi non interagiscono tra loro, quasi identici nell'insieme di specie, ma diversi nella massa del bosone di Higgs, e quindi nelle loro stesse masse.
Il numero di tali gruppi di particelle, che, secondo gli scienziati, esistono nell'universo moderno, raggiunge diverse migliaia di miliardi. La fisica descritta dal Modello Standard (SM) e le particelle e le interazioni osservate negli esperimenti all'LHC appartengono a una di queste famiglie. La nuova teoria permette di abbandonare la supersimmetria, che sta ancora cercando di trovare senza successo, e risolve il problema della gerarchia delle particelle.
In particolare, se la massa del bosone di Higgs formatosi a seguito del decadimento di rechiton è piccola, allora la massa delle particelle rimanenti sarà grande e viceversa. Questo è ciò che risolve il problema della gerarchia elettrodebole associata al grande divario tra le masse di particelle elementari osservate sperimentalmente e le scale energetiche dell'Universo primordiale. Ad esempio, la domanda sul perché un elettrone con una massa di 0,5 megaelettronvolt è quasi 200 volte più leggero di un muone con gli stessi numeri quantici scompare da solo: nell'Universo ci sono esattamente gli stessi set di particelle in cui questa differenza non è così forte.
Secondo la nuova teoria, il bosone di Higgs osservato negli esperimenti all'LHC è la particella più leggera di questo tipo, formata a seguito del decadimento di un rechiton. I bosoni più pesanti sono associati ad altri gruppi di particelle non ancora scoperte - analoghi dei leptoni scoperti e ben studiati oggi (che non partecipano all'interazione forte) e adroni (che partecipano all'interazione forte).
Nima Arkani-Hamed
Video promozionale:
Foto: EP Departement / CERN
La nuova teoria non cancella, ma rende meno necessaria l'introduzione della supersimmetria, che implica il raddoppio (almeno) del numero di particelle elementari conosciute a causa della presenza di super partner. Ad esempio, per un fotone - un photino, un quark - uno squark, un Higgs - un Higgsino e così via. Lo spin dei superpartner dovrebbe differire di mezzo intero dallo spin della particella originale.
Matematicamente, una particella e una superparticella sono combinate in un unico sistema (supermultipleto); tutti i parametri quantistici e le masse delle particelle e dei loro partner coincidono in esatta supersimmetria. Si ritiene che la supersimmetria sia rotta in natura, e quindi la massa dei superpartner è molto maggiore della massa delle loro particelle. Per rilevare particelle supersimmetriche, erano necessari potenti acceleratori come l'LHC.
Se la supersimmetria o eventuali nuove particelle o interazioni esistono, allora, secondo gli autori del nuovo studio, possono essere scoperte su una scala di dieci teraelettronvolt. Questo è quasi al limite delle capacità dell'LHC e, se la teoria proposta è corretta, la scoperta di nuove particelle lì è estremamente improbabile.
Versioni CM
Immagine: arXiv.org
Un segnale vicino a 750 gigaelettronvolt, che potrebbe indicare il decadimento di una particella pesante in due fotoni gamma, come riportato dagli scienziati delle collaborazioni CMS (Compact Muon Solenoid) e ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) che lavorano all'LHC a dicembre 2015 e marzo 2016, riconosciuto come rumore statistico. Dopo il 2012, quando è stata resa nota la scoperta del bosone di Higgs al CERN, non sono state rivelate nuove particelle fondamentali previste dalle estensioni SM.
Pertanto, è previsto l'emergere di teorie in cui scompare la necessità della supersimmetria. "Ci sono molti teorici, me compreso, che credono che ora sia un momento completamente unico in cui stiamo risolvendo questioni importanti e sistemiche, e non riguardanti i dettagli di qualsiasi prossima particella elementare", ha detto l'autore principale del nuovo studio, il fisico Nima Arkani-Hamed dalla Princeton University (USA).
Il suo ottimismo non è condiviso da tutti. Ad esempio, il fisico Matt Strassler dell'Università di Harvard ritiene che la giustificazione matematica della nuova teoria sia inventata. Nel frattempo, Paddy Fox del Enrico Fermi National Accelerator Laboratory di Batavia (USA) ritiene che la nuova teoria possa essere testata nei prossimi dieci anni. A suo parere, le particelle formate in un gruppo con qualsiasi bosone di Higgs pesante dovrebbero lasciare le loro tracce sulla radiazione reliquia, l'antica radiazione a microonde prevista dalla teoria del Big Bang.
Andrey Borisov
