Abbiamo la soluzione ai 5 più grandi problemi della Fisica?

Come molti sanno, il Modello Standard ha superato molteplici conferme della sua validità, descrivendo in maniera quasi del tutto esauriente tutti i fenomeni che avvengono nel regime delle "basse energie" in termini delle particelle elementari che ultimamente costituiscono l'Universo e delle interazioni tra esse.

Le particelle elementari descritte dal Modello Standard sono divise in due categorie: i fermioni, le particelle che costituiscono la materia, e i bosoni, le particelle che vengono scambiate e che sono il mezzo con cui descrivere le interazioni.

Nonostante questo il Modello Standard non riesce a spiegare cinque dei più grandi misteri della fisica contemporanea: la materia oscura, le oscillazioni dei neutrini, la bariogenesi, l'inflazione cosmica, e il problema della CP forte, che descriveremo di seguito.

Un nuovo modello sviluppato da un gruppo di ricerca franco tedesco si chiama SMASH e prevede l'impiego di sole sei nuove particelle per conciliare le lacune del Modello Standard della Fisica elencate sopra. Secondo i suoi ideatori non sarà nemmeno così difficile da verificare, e non comporta importanti modifiche al modello standard, ma si tratta di una sua estensione. La proposta è stata pubblicata su Arxiv ed è al vaglio della comunità scientifica.

È presto per avere una risposta sulla sua validità; il punto di partenza tuttavia è apprezzabile, perché al contrario di altre proposte viste in passato (per esempio la Supersimmetria) non richiede l'aggiunta di centinaia di nuove particelle mai viste per spiegare i misteri della Fisica. Inoltre la verifica di tale modello sarebbe basata sull'osservazione delle particelle che descriveremo e che sono già investigate da numerosi esperimenti per scopi diversi.

Il nuovo contenuto di particelle proposte è tutto nel nome, SMASH:

• S  standard
• M model
• A axion. Si aggiunge un assione, un fermione che descriverebbe la materia oscura
• S see-saw mechanism. Letteralmente "meccanismo ad altalena", che si riferisce all'introduzione di tre neutrini pesanti 
• H  higgs particle inflation. Un analogo della particella di Higgs per descrivere l'inflazione che prende il nome di inflatone, nello specifico si introduce un doppietto inflatonico

Da notare che gli ideatori di SMASH non hanno inventato alcuna particella, hanno "semplicemente" riorganizzato elementi già ipotizzati dando al quadro una chiave d'interpretazione plausibile sulla carta, e portando a compimento un lavoro di sintesi facendo convergere sforzi da diversi ambiti, dalla Fisica delle particelle alla cosmologia.

Vediamo in estrema sintesi quali problemi SMASH dovrebbe risolvere:

1. La materia oscura

Stando alle stime più recenti il 26-27 percento dell'Universo è costituito da un tipo di materia non identificato. Siamo in grado di apprezzare la sua forza gravitazionale, ma con gli strumenti non rileviamo né luce né radiazione, quindi nonostante anni di ricerche non riusciamo a spiegare di che cosa sia composta. Però è certo che la sua presenza è fondamentale per la stabilità dell'Universo. Nessuna tra le particelle incluse del Modello Standard è un valido candidato a costituire la materia oscura.

2. Le oscillazioni dei neutrini

Lo scorso anno il Nobel per la Fisica fu assegnato ai due fisici che scoprirono l'oscillazione dei neutrini.  Si tratta di un fenomeno della meccanica quantistica relativistica, secondo cui un neutrino creato con un determinato "sapore" , per esempio tau, può assumere un sapore diverso al passare del tempo, per esempio elettronico. Questo comporta che i neutrini debbano avere una massa: un fatto che sarebbe incompatibile con il Modello Standard nella sua versione minimale.

3. La bariogenesi

È un grave problema irrisolto della Fisica che può essere sintetizzato in modo piuttosto semplice: perché la parte osservabile dell'Universo ha più materia che antimateria? Secondo il Modello Standard, il Big Bang avrebbe prodotto la stessa quantità di materia e di antimateria, e dal momento che si annichilano l'una con l'altra, dovremmo avere un Universo di sole radiazioni. Il fatto che invece esistano moltissime particelle significa che nello scenario proposto dal Modello Standard ci c'è qualcosa di sbagliato. Cosa?

4. Inflazione Cosmica

Si ipotizza che una frazione di secondo dopo il Big Bang l'Universo abbia subito un periodo di espansione accelerata chiamato inflazione. Nessuno dei fisici tuttavia è in grado di capire come abbia potuto l'Universo espandersi a una velocità superiore a quella della luce, passando quasi istantaneamente da un puntino di dimensioni subatomiche a uno grande quanto una pallina da golf. Fra le ipotesi c'è la presenza dell'inflatone, ma non ci sono prove al riguardo.

5. Il problema della CP forte

Descritto come un "grave difetto del modello standard", il problema della CP forte potrebbe aiutare a  spiegare il motivo per il quale vi è più materia che antimateria nell'Universo. Si tratta di una questione molto complessa, ma in estrema sintesi descrive come una rottura nella simmetria fondamentale dell'Universo non si verifichi nella cromodinamica quantistica (QCD), e nessuno è stato finora in grado di capire perché.

La soluzione?

Il modello SMASH si basa a sua volta su un modello (νMSM, neutrino minimal standard model) proposto nel 2005 dal fisico Mikhail Shaposhnikov dello Swiss Federal Institute of Technology di Losanna, secondo cui l'estensione del Modello Standard a tre neutrini con alcune masse precise potrebbe spiegare contemporaneamente la Materia Oscura, la bariogenesi e l'espansione dell'universo, e potrebbe essere coerente con i risultati degli esperimenti sulle oscillazioni dei neutrini.

Secondo il nuovo studio condotto dal fisico Guillermo Ballesteros dell'Università di Paris-Saclay e dai colleghi Javier Redondo, Andreas Ringwald e Carlos Tamarit, aggiungendo oltre a questi tre neutrini anche una particella subatomica chiamata fermione, un assione e un inflatone si potrebbero risolvere i cinque problemi che abbiamo descritto.

Secondo i ricercatori questa ipotesi si potrebbe verificare utilizzando la prossima generazione di acceleratori di particelle, quindi "entro i prossimi 10 anni o giù di lì": una prospettiva decisamente breve se si paragona ad altre ipotesi che sono circolate in passato.

Nel frattempo non mancheranno le reazioni della comunità scientifica, non appena il contenuto della ricerca verrà pubblicato su una rivista di settore.

Marta Dell'Atti è laureata in fisica teorica e delle interazioni fondamentali presso l'Università del Salento. L'ambito dei suoi studi di ricerca riguarda i modelli teorici che spiegano e prevedono l'esistenza delle particelle elementari e il modo in cui tali particelle interagiscono. Si interessa di relatività generale e meccanica quantistica e si è occupata di divulgazione scientifica. È coautrice di una pubblicazione su JHEP (Journal of High Energy Physics).