Il Modello Standard (MS) nasce dall’esigenza di dare una sistemazione organica alle particelle elementari e alle principali forze: elettrodebole (unione della forza elettromagnetica e nucleare debole) e nucleare forte. Il MS è una teoria che funziona; il MS classifica e descrive le particelle elementari e le loro interazioni (esclusa l’interazione gravitazionale), integra al suo interno il meccanismo di Higgs così da render conto della massa delle particelle (il bosone di Higgs, rilevato all’ LHC nel 2012, venne considerato il tassello mancante). Tuttavia tale teoria non viene considerata quale teoria definitiva, quanto più un’approssimazione valida a basse energie, una manifestazione di qualcosa di più profondo; questa considerazione è dovuta a varie questioni legate al MS, a cominciare dall’eccessivo numero di parametri liberi della teoria (che di fatti non predice la massa, per esempio, del bosone di Higgs che deve essere ricavata sperimentalmente), così come l’incapacità di integrare l’interazione gravitazionale e la materia oscura, oltre ad avere problemi coi neutrini, che nel MS sono trattati come particelle senza massa (massless) quando invece si è scoperto che tali particelle hanno massa, se pur piccola.
“It is natural to expect that the SM is an effective low-energy theory obtained through the symmetry breaking of a unified theory which describes the physics at very high energy”.
-Carlo Giunti, Fundamentals of Neutrino Physics and Astrophysics
Due recenti articoli si schierano ai lati opposti, sostenendo in un caso la possibilità di spiegare l’esistenza della materia oscura all’interno dell’attuale MS congiuntamente allo scenario di inflazione cosmologica, nel secondo caso cercando un particolare decadimento la cui eventuale osservazione sarebbe indice della necessità di una nuova teoria.
Partiamo dal secondo facendo qualche premessa. Attualmente non si conosce il valore della massa dei neutrini, ciò che si sa da risultati cosmologici è il limite superiore che deve avere tale valore; i neutrini sono particelle uniche, evasive, sfuggenti, il loro studio è reso complicato per via della loro bassissima probabilità di interazione con la materia. I neutrini si presentano di tre tipi, detti sapori, associati a ciascun tipo di leptone (1): elettrone, muone (il cugino 200 volte più pesante) e tau. In particolare ogni sapore è in realtà una sovrapposizione di autostati di massa, vale a dire che è un misto di tre stati fondamentali massivi ognuno con un suo particolare peso che varia nel tempo; tale fenomeno dà luogo alla così detta oscillazione dei neutrini: un neutrino elettronico, dopo un certo tempo, si trasforma in un neutrino muonico per esempio, con una probabilità di transizione nota. Da tempo si cercano di studiare fenomeni legati ai neutrini sia per avere un’indicazione di teorie al di là del MS e sia per discernere la loro natura; infatti, entrando per un attimo in tecnicismi, i neutrini potrebbero essere fermioni di Majorana (e non di Dirac) e in tal caso la particella corrisponderebbe all’antiparticella, tra le altre cose. Uno degli esperimenti più noti per affrontare tale aspetto è il così detto doppio decadimento beta senza neutrini. In sostanza tale fenomeno è legato al decadimento di un nucleo che emette due elettroni (particelle beta); ora, secondo l’approccio classico indicato dal MS, il numero di leptoni in una reazione si deve conservare quindi se vengono emessi due leptoni devono necessariamente essere emessi anche due anti-leptoni in modo da elidere il contributo precedente e conservare il numero totale di leptoni. L’importanza del cercare il doppio decadimento beta senza neutrini è appunto il seguente: se i neutrini fossero particelle di Majorana (anziché di Dirac) sarebbe possibile avere lo stesso decadimento descritto in precedenza ma senza emissione di neutrini e quindi con una violazione del numero leptonico totale di due unità (prima abbiamo un nucleo instabile che decadendo emette due elettroni, che sono leptoni, quindi prima del decadimento L=0, dopo L=+2). Un decadimento beta senza neutrini, oltre a discriminare il tipo di fermione, sarebbe una manifestazione di una teoria differente dal MS.
Un recente articolo (2) tratta appunto la ricerca dello sfuggente doppio decadimento beta senza neutrini arrivando a vincolare l’effettiva massa di Majorana possibile in un range di 240-520 meV.
Di un altro avviso sono invece gli scienziati J.R.Espinosa, D. Racco e A. Riotto che in un recentissimo articolo (3) mostrano come sia possibile spiegare l’esistenza della materia oscura all’interno del MS e del modello cosmologico inflazionario. La Materia Oscura (DM, Dark Matter) costituisce circa l’80% della materia complessiva del nostro universo; il nome lo si deve al fatto che non interagisce per via elettromagnetica quindi non emette luce, l’unica interazione che ha è di tipo gravitazionale. La DM è una componente fondamentale per la formazione e lo sviluppo di strutture (come le galassie); in origine per stimarne l’abbondanza nelle galassie si ricorreva allo studio della curva di rotazione. In pratica, dalla fisica newtoniana, ci si aspetterebbe che le zone di una galassia più lontane dal centro ruotino più lentamente; l’osservazione delle curve di rotazione ha sorprendentemente mostrato un risultato contrario, totalmente inatteso: le zone più lontane dal centro della galassia ruotano ad una velocità angolare maggiore! L’unica spiegazione è che nelle zone più esterne fosse presente più massa di quanto sia visibile.
L’articolo sopracitato è piuttosto tecnico e richiede una certa conoscenza della dinamica inflazionaria e del meccanismo di Higgs, ad ogni modo i ricercatori scrivono che “l’origine della Materia Oscura (DM) non necessita di una fisica al di là del Modello Standard”; secondo loro la DM potrebbe essere dovuta a buchi neri primordiali causati da una perturbazione del campo di Higgs venutasi a creare durante le ultime fasi del periodo inflazionario. In sostanza mostrano come sia possibile rendere conto di questa componente fondamentale dell’universo all’interno degli attuali paradigmi, senza dover cercare teorie nuove.
E’ affascinante come sia possibile testare il Modello Standard, attaccandolo o difendendolo, da campi della fisica così differenti tra loro passando dalla cosmologia allo studio dei neutrini, dal totale al particolare.
“Qualsiasi teoria fisica è sempre provvisoria, nel senso che è solo un’ipotesi: una teoria fisica non può cioè mai venire provata. Per quante volte i risultati di esperimenti siano stati in accordo con una teoria, non si può mai essere sicuri di non ottenere la prossima volta un risultato che la contraddica.”
-Stephen Hawking-
(1) I leptoni sono particelle con spin semi intero (fermioni) che non interagiscono mediante forza nucleare forte (cioè l’interazione che tiene insieme i nuclei).
(2) https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.132502
(3) https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.121301