La teoria delle stringhe prende le mosse da un articolo del
fisico teorico Gabriele Veneziano per spiegare le
peculiarità del comportamento degli adroni. Durante gli
esperimenti condotti negli acceleratori di particelle, i
fisici avevano osservato che lo spin di un adrone non è mai
maggiore di un certo multiplo della radice della sua
energia. Nessun semplice modello adronico, come quello di
renderli composti da un serie di particelle più piccole
legate insieme da un qualche tipo di forza, era in grado di
spiegare tali relazioni. Nel 1968 Veneziano trovò che una
funzione a variabili complesse creata dal matematico
svizzero Leonhard Euler (latinizzato Eulero), la funzione
beta, si adattava perfettamente ai dati sull'interazione
forte. Veneziano applicò la Funzione Beta di Eulero
alla forza forte, ma nessuno sapeva spiegarsi perché
funzionasse.
Nel 1970, Yoichiro Nambu, Holger Bech Nielsen, e Leonard
Susskind presentarono una spiegazione fisica per la
straordinaria precisione teorica della formula di Eulero.
Rappresentando la forza nucleare attraverso stringhe
vibranti ad una sola dimensione, questi fisici mostrarono
come la funzione di Eulero descrivesse accuratamente queste
forze. Ma anche dopo che i fisici ebbero proposto una
possibile spiegazione fisica per l'intuizione di Veneziano,
la descrizione che le stringhe davano della forza forte
faceva predizioni che contraddicevano direttamente le
esperienze. La comunità scientifica perse presto interesse
nella teoria delle stringhe, e il modello standard, con le
sue particelle e i suoi campi, rimase a farla da padrone.
Poi, nel 1974, John Schwarz e Joel Scherk, e
indipendentemente Tamiaki Yoneya, studiarono i modelli con
caratteristiche da messaggero della vibrazione di stringa e
trovarono che le loro proprietà combaciavano esattamente con
le particelle mediatrici della forza gravitazionale — i
gravitoni. Schwarz e Scherk argomentarono che la teoria
delle stringhe non aveva avuto successo perché i fisici ne
avevano frainteso gli scopi.
Questo condusse allo sviluppo della teoria di stringa
bosonica, che è ancora la versione insegnata a molti
studenti. Il bisogno originario di un'indipendente teoria
degli adroni è stata accantonata con la nascita della
cromodinamica quantistica, la teoria dei quark e delle loro
interazioni. Ora si spera che o la teoria delle stringhe o
qualcuna derivata da essa comporterà una comprensione
fondamentale degli stessi quark.
La teoria di stringa bosonica è formulata in termini di
azione di Polyakov, una quantità matematica che può essere
usata per prevedere come le stringhe si muovono nello
spazio-tempo. Applicando le idee della meccanica quantistica
all'azione di Polyakov — procedura nota come quantizzazione
— si può dedurre che ogni stringa può vibrare in molti modi
diversi, e che ogni stato di vibrazione rappresenta un tipo
diverso di particella. La massa di cui è dotata la
particella e i vari modi in cui può interagire, sono
determinati dai modi in cui la stringa vibra —
essenzialmente, dalla nota che la stringa vibrando produce.
La scala delle note, ad ognuna delle quali corrisponde una
particella, è denominata "spettro energetico" della teoria.
Questi primi modelli includevano sia stringhe aperte, che
hanno due punti terminali definiti, che stringhe chiuse,
dove gli estremi sono congiunti a formare un anello, un loop.
I due tipi di stringa si comportano in maniera leggermente
diversa, producendo due spettri. Non tutte le moderne teorie
delle stringhe usano entrambi i tipi; alcune comprendono
solo le tipologie chiuse.
Comunque, la teoria bosonica comporta dei problemi.
Fondamentalmente, la teoria ha una peculiare instabilità,
portando al decadimento dello stesso spazio-tempo. In più,
come il nome suggerisce, lo spettro di particelle contiene
solo bosoni, particelle come il fotone con spin intero.
Sebbene i bosoni siano un ingrediente indispensabile
nell'universo, non sono i suoi unici costituenti.
Investigando su come una teoria delle stringhe debba
includere i fermioni nel suo spettro conduce alla
supersimmetria, una relazione matematica tra bosoni e
fermioni che è ora un settore di studio indipendente. Le
teorie delle stringhe che includono vibrazioni fermioniche
sono conosciute come teorie delle superstringhe; ne sono
stati descritti parecchi tipi diversi.
Tra il 1984 e il 1986, i fisici compresero che la teoria
delle stringhe avrebbe potuto descrivere tutte le particelle
elementari e le interazioni tra loro, e centinaia di loro
iniziarono a lavorare sulla teoria delle stringhe come
l'idea più promettente per unificare la fisica. Questa prima
rivoluzione delle superstringhe era iniziata dalla scoperta
di un anomalo annullamento nella teoria delle stringhe di
tipo I da parte di Michael Green e John Schwarz nel 1984.
L'anomalia venne eliminata grazie al meccanismo di
Green-Schwarz. Altre inaspettate e rivoluzionarie scoperte,
come la stringa eterotica, vennero fatte nel 1985.
Negli anni novanta, Edward Witten e altri trovarono forti
prove a dimostrazione che le differenti teorie delle
superstringhe sono diversi limiti di una sconosciuta teoria
a undici dimensioni chiamata M-teoria. Queste scoperte
stimolarono la seconda rivoluzione delle superstringhe.
Quando Witten la chiamò M-teoria, non specificò per cosa
stesse la M, presumibilmente perché non si sentiva in
diritto di denominare una teoria che non era in grado di
descrivere interamente. Indovinare per cosa stia la M è
diventato una sorta di gioco tra i fisici teorici. La M
talvolta viene fatta corrispondere a Mistero, Magia o Madre.
Ipotesi più serie includono Matrice o Membrana. Sheldon
Glashow ha notato che la M può essere un rovesciamento di W,
iniziale di Witten. Altri ipotizzano Mancante, Mostruoso o
anche Murky (oscura). Secondo lo stesso Witten, come detto
in PBS documentary, basato su "The Elegant Universe" di
Brian Greene, la M in M-teoria sta per "magia, mistero, o
matrice a piacere."
Alcuni recenti sviluppi nel campo delle D-brane, oggetti che
i fisici hanno scoperto, possono anche essere incluse in
alcune teorie che comprendono stringhe aperte della teoria
delle superstringhe.
La macchina dei
desideri dei fisici teorici
Il Large Hadron Collider
inizia l’attività con qualche ingiustificato allarmismo
(fonte: Corriere del Ticino - Marco Cagnotti)
Ci siamo: l'hanno
acceso. Nei prossimi giorni il Large Hadron Collider (LHC) del CERN di
Ginevra vedrà correre nei suoi tubi ad alto vuoto il primo fascio di
particelle elementari. Questo sarà solo un test e da qui ai primi veri
risultati scientifici ci vorrà ancora parecchio. Ma intanto il primo
passo, a 30 anni dalla prima intuizione, sarà stato compiuto.
La gara al gigantismo nelle grandi macchine acceleratrici vede compiersi
l’ultimo successo: il
Large Hadron Collider è diventato operativo.
Questa rincorsa alle energie sempre più elevate, per frugare nei meandri
più reconditi della materia, ha una storia antica che prende avvio
all’inizio del Novecento. E che sembra avviarsi alla conclusione,
sebbene nuovi impianti siano in fase di progettazione.
La gara fra Europa e Stati Uniti
Riutilizzare un impianto vecchio per fare cose nuove:nel 1977 quest’idea
emerge fra i fisici delle particelle, che rivolgono lo sguardo al tunnel
sotterraneo e circolare lungo 27 chilometri che il CERN ha costruito a
Ginevra, a cavallo del confine franco-svizzero. Sette anni dopo viene
creato un gruppo di lavoro per stendere il progetto, che viene
ratificato dal CERN nel 1994. Nel frattempo in quel tunnel si gioca la
supremazia fra l’ Europa e gli Stati Uniti. Gli scienziati del Vecchio
Continente operano con l’acceleratore Large Electron-Positron (LEP), che
fa scontrare fasci di elettroni e di positroni. Oltreoceano si lavora
invece con il Tevatron del Fermilab di Chicago. Lo scopo è raggiungere
le energie necessarie a scoprire una particella, il bosone di Higgs,
prevista dalla teoria ma mai osservata in alcun esperimento.
Il 17 novembre del 2000 a Ginevra viene presa una decisione coraggiosa:
spegnere per sempre il LEP. È un gesto che molti considerano temerario.
Da alcuni indizi l’elusiva particella sembra a portata di mano, e
qualcuno ritiene che forse forse, potenziando un po’ l’acceleratore già
attivo, ci sarebbe stata la possibilità di battere i concorrenti.
D’altro canto rinunciare al LEP significherebbe restare per anni, in
attesa di LHC, senza un acceleratore, e lasciare il campo libero agli
americani. Ma così viene deciso. A favore degli europei gioca la crisi
economica americana e la miopia dei politici statunitensi, che tagliano
i fondi alla fisica fondamentale, dando così tempo ai ricercatori da
questa parte dell’oceano di rimboccarsi le maniche e concludere, pur con
alcuni mesi di ritardo rispetto alla tabella di marcia, i lavori sul
nuovo, grande acceleratore. Che raggiunge energie 7 volte maggiori di
quelle del Tevatron americano, con fasci di particelle 40 volte più
intensi.
I numeri di un impianto gigantesco
Il funzionamento di LHC non è troppo difficile da spiegare:si tratta di
focalizzare due fasci di protoni e di mandarli in collisione uno contro
l’altro, per poi stare a guardare che cosa succede. Hai detto niente… In
ogni fascio ci sono 3.000 miliardi di particelle che percorrono i 27
chilometri a una velocità prossima a quella della luce e che devono
essere allineati con la massima precisione, grazie a 7.000 magneti
superconduttori raffreddati a 2 gradi sopra lo zero assoluto. Quattro
rivelatori tracciano le particelle che emergono dagli impatti, nella
speranza di scovare il bosone di Higgs. Sono giganteschi: il più grande
riempirebbe per metà la cattedrale parigina di Notre-Dame e pesa quanto
la Torre Eiffel. Nondimeno i suoi componenti devono essere allineati con
una precisione di 50 milionesimi di metro. Da tutto questo bendiddio
della tecnologia usciranno dati in grado di intasare 100 mila DVD
all’anno: troppi, per accumularli da qualche parte. Sicché è stato
necessario sviluppare algoritmi capaci di riconoscere al volo solo gli
eventi significativi, ignorando tutti gli altri. Eventi che verranno poi
processati da decine di migliaia di elaboratori nel mondo con la
collaudata tecnica del network computing.
La crisi del Modello Standard
«Nel Medio Evo rinascimentale / c’è chi cerca una liberazione /e c’è chi
scopre un’altra particella…», cantava Franco Battiato. È dunque
ragionevole chiedersi se ne vale la pena. Davvero il bosone di Higgs
merita un investimento di molti miliardi di dollari? In realtà la posta
in gioco è molto più alta. Il bosone di Higgs è importante, forse il
tassello più importante nel vasto mosaico del Modello Standard, cioè il
quadro teorico che descrive il numero e le proprietà delle particelle
elementari e delle forze che agiscono fra loro. Il bosone di Higgs
spiegherà per quale motivo le particelle possiedono proprio quei valori
della massa e non altri. Ma il Modello Standard, sviluppato a cavallo
degli Anni Settanta e Ottanta, zoppica:non rende conto di tutti i
fenomeni e a certe energie perde il proprio valore esplicativo.
Per questo i fisici teorici guardano ben oltre e cercano una Teoria del
Tutto, che sperano possa essere autoconsistente, cioè in grado di
determinare in maniera univoca i valori di tutte le costanti fisiche
fondamentali. Fra i candidati migliori c’è la teoria delle stringhe, che
però è ancora molto lontana da una formulazione completa e definitiva.
Non solo: all’interno della comunità dei teorici negli ultimi anni è
stata sottoposta a un’intensa critica, a favore di teorie alternative
come la gravità quantistica a loop. Su questi confini della conoscenza
si trovano concetti molto lontani dal comune buon senso, dall’intuizione
di noi esseri macroscopici e tridimensionali: dimensioni nascoste (ben
sei spaziali, secondo la teoria delle stringhe) e supersimmetrie.
LHC potrebbe mettere ordine in questo caos teorico. O almeno indirizzare
meglio i ricercatori costringendoli (finalmente) lungo un percorso più
chiaro. En passant, i risultati che il grande acceleratore produrrà
potrebbero anche fare chiarezza sull’enigma più affascinante
dell’astrofisica moderna. Ovvero: da che cosa è composto l’universo?
Sappiamo infatti che la materia visibile rende conto solo del 4 per
cento del totale. Tutto il resto è formato da materia ed energia oscure,
invisibili. Che ci sono, ma sulla cui natura non si ha alcuna certezza.
E poi?
Mentre ancora LHC deve cominciare a macinare risultati scientifici, già
i fisici guardano al suo successore. Fra i più promettenti c’è l’
International Linear Collider (ILC), che sarà lungo più di 30 chilometri
e farà scontrare fasci di elettroni e positroni. Operando parecchi
ordini di grandezza sotto il Large Hadron Collider, ILC potrà però
acquisire conoscenze che sono irraggiungibili per LHC. Volendo usare una
metafora, potremmo dire che LHCè il martello che rompe la noce e ILC il
bisturi che scava al suo interno, lavorando di fino.
Al progetto ILC stanno già lavorando 1.600 scienziati e ingegneri di 300
laboratori. Manca però ancora la definizione del sito finale.
Soprattutto mancano i soldi necessari, valutati, senza considerare i
rivelatori, a 6,7 miliardi di dollari. I recenti tagli imposti dal
Congresso degli Stati Uniti per l’anno fiscale 2008, sebbene in parte
rientrati, non lasciano ben sperare.
D’altronde bisogna pur dirlo: la fisica sperimentale delle particelle è
in crisi. Le macchine hanno raggiunto dimensioni, costi e complessità
oltre i quali non si può andare, anche con le risorse a disposizione di
una grande potenza industriale come gli Stati Uniti o di un consorzio
internazionale come il CERN. Perciò fra i fisici si sta diffondendo la
convinzione che sia necessario qualche salto concettuale, che debba
emergere un’intuizione che consenta di proseguire le ricerche oltre LHC
senza svenarsi.
Ma ne vale la pena?
Eppure, anche ammesso che gli intriganti misteri della fisica
fondamentale vengano chiariti, il dubbio rimane:ne vale la pena? Sì,
insomma, miliardi di dollari impiegati per ricerche così esotiche sono
giustificati? I fisici di fronte a questa domanda si appellano al valore
della conoscenza pura. Che certo è importante, ma non aiuta a riempire
le pance degli affamati, né a curare l’ AIDS che devasta l’Africa, e
neppure a far girare l’economia e a generare nuovi posti di lavoro. O
forse sì?
La ricerca di base non serve soltanto a scoprire le leggi naturali. Ma,
spingendo le esigenze sperimentali al limite delle capacità umane,
costringe pure scienziati e ingegneri a poderosi sforzi tecnologici, che
hanno poi ricadute sotto forma di brevetti e di applicazioni che si
ritrovano nella vita di tutti i giorni. Citeremo solo il più scontato.
Un’applicazione di cui oggi nessuno più riesce a fare a meno. Senza la
quale la comunicazione moderna sarebbe monca, inaridita. Stiamo parlando
del World Wide Web. Dov’è stato inventato? Al CERN, per facilitare le
comunicazioni fra gli scienziati. Ebbene, non ne valeva la pena?
Ma
perchè non ho chiamato subito 
