I fisici che hanno vagato nel "paesaggio" della teoria delle stringhe - uno spazio di miliardi e miliardi di soluzioni matematiche a una teoria in cui ogni soluzione fornisce le equazioni con cui i fisici cercano di descrivere la realtà - sono incappati in un sottoinsieme di tali equazioni che includono tante particelle di materia quante sono nel nostro universo. Tuttavia, questo sottoinsieme è enorme: esistono almeno un quadrilione di tali soluzioni. Questa è la più grande scoperta nella storia della teoria delle stringhe.
L'universo nella teoria delle stringhe
Secondo la teoria delle stringhe, tutte le particelle e le forze fondamentali sono generate dalla vibrazione di piccole stringhe. Per coerenza matematica, queste corde vibrano nello spaziotempo a 10 dimensioni. E per coerenza con la nostra usuale esperienza quotidiana dell'esistenza nell'Universo, con tre dimensioni spaziali e una temporale, le sei dimensioni aggiuntive sono "compattate" in modo che non possano essere rilevate.
Compattificazioni differenti portano a soluzioni differenti. Nella teoria delle stringhe, "soluzione" si riferisce al vuoto dello spaziotempo, che è governato dalla teoria della gravità di Einstein combinata con la teoria quantistica dei campi. Ogni soluzione descrive un universo unico, con il proprio insieme di particelle, forze fondamentali e altre proprietà che definiscono.
Alcuni teorici delle stringhe hanno concentrato i loro sforzi sul tentativo di trovare modi per mettere in relazione la teoria delle stringhe con le proprietà del nostro universo osservabile noto, in particolare il Modello standard della fisica delle particelle, che descrive tutte le particelle e le forze conosciute eccetto la gravità.
Gran parte di questo sforzo deriva da una versione della teoria delle stringhe in cui le stringhe interagiscono debolmente. Negli ultimi vent'anni, tuttavia, una nuova branca della teoria delle stringhe chiamata F-teoria ha permesso ai fisici di lavorare con stringhe fortemente interagenti - o strettamente accoppiate -.
"I risultati interessanti sono che quando la relazione è ampia, possiamo iniziare a descrivere la teoria in modo molto geometrico", afferma Miriam Tsvetik dell'Università della Pennsylvania a Philadelphia.
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Ciò significa che i teorici delle stringhe possono utilizzare la geometria algebrica, che utilizza metodi algebrici per risolvere problemi geometrici, per analizzare diversi modi di compattare dimensioni extra nella teoria F e trovare soluzioni. I matematici studiano indipendentemente alcune delle forme geometriche che compaiono nella teoria F. "Forniscono a noi fisici una vasta gamma di strumenti", afferma Ling Lin, anche lei dell'Università della Pennsylvania. "La geometria è in realtà molto importante, è il 'linguaggio' che rende la teoria F una struttura potente."
Quadrilioni di universi
E così Tsvetik, Lin, James Halverson della Northeastern University di Boston hanno utilizzato questi metodi per identificare una classe di soluzioni con modalità di corde vibranti che portano allo stesso spettro di fermioni (o particelle di materia) come descritto dal Modello Standard, inclusa la proprietà, a causa del quale i fermioni sono di tre generazioni (ad esempio, elettrone, muone e tau sono tre generazioni dello stesso tipo di fermioni).
Le soluzioni della teoria F scoperte da Tsvetik e dai suoi colleghi includono anche particelle che mostrano chiralità (mancanza di simmetria sui lati destro e sinistro) del modello standard. Nella terminologia della fisica delle particelle, queste soluzioni riproducono l'esatto "spettro chirale" delle particelle nel modello standard. Ad esempio, i quark e leptoni in queste soluzioni hanno versioni sinistra e destra, come nel nostro universo.
Il nuovo lavoro mostra che ci sono almeno un quadrilione di soluzioni in cui le particelle hanno lo stesso spettro chirale del Modello Standard, 10 ordini di grandezza in più di soluzioni rispetto a quelle trovate finora nella teoria delle stringhe. "Questa è di gran lunga la più vasta sottoclasse di soluzioni del modello standard", afferma Tsvetik. "Ciò che è sorprendente e bello è che è tutto nella teoria delle stringhe strettamente accoppiate in cui la geometria ci aiuta".
Il quadrilione è un numero estremamente elevato, sebbene molto inferiore al numero di soluzioni nella teoria F (che alla fine conta circa 10.272.000). E poiché è un numero estremamente elevato, che tradisce qualcosa di non banale e vero nella fisica delle particelle nel mondo reale, sarà studiato con il massimo rigore e serietà, dice Halverson.
Ulteriori esplorazioni includeranno l'identificazione di legami più forti con la fisica delle particelle nel mondo reale. I ricercatori devono identificare le connessioni o le interazioni tra le particelle nelle soluzioni della teoria F, che dipendono ancora dai dettagli geometrici della compattificazione extra dimensionale.
È del tutto possibile che nello spazio di un quadrilione di soluzioni ci saranno alcune soluzioni che portano al decadimento di un protone in scale temporali prevedibili. Ciò contraddirebbe chiaramente il mondo reale, poiché gli esperimenti non hanno rivelato alcun segno di decadimento del protone. Oppure i fisici potrebbero cercare soluzioni che implementino lo spettro di particelle del Modello Standard, preservando la simmetria matematica (R-parità). Questa simmetria vieta alcuni processi di decadimento del protone e sarebbe molto attraente dal punto di vista della fisica delle particelle, ma è assente nei modelli moderni.
Inoltre, questo lavoro presuppone l'esistenza della supersimmetria, ovvero tutte le particelle standard hanno particelle partner. La teoria delle stringhe ha bisogno di questa simmetria per garantire la coerenza matematica delle soluzioni.
Ma affinché qualsiasi teoria della supersimmetria si adatti all'universo osservabile, la simmetria deve essere interrotta (proprio come posizionare le posate e un bicchiere sul lato sinistro o destro fuori sincrono spezzerebbe la simmetria della tavola). Altrimenti, le particelle partner avranno la stessa massa delle particelle del Modello Standard, il che non è sicuramente il caso, dal momento che non abbiamo visto nessuna di queste particelle partner nei nostri esperimenti.
Ilya Khel
