La geometria dello spazio potrebbe non essere soltanto il palcoscenico su cui si svolge la fisica dell'universo, ma l'attrice protagonista. Un nuovo studio teorico pubblicato su Nuclear Physics B propone che forze fondamentali, particelle e persino la massa stessa possano emergere direttamente dalla struttura geometrica di dimensioni extra nascoste, ribaltando decenni di modelli consolidati che trattano lo spaziotempo come una semplice arena inerte. La ricerca, condotta dal fisico Richard Pincak insieme ai suoi collaboratori e finanziata dal progetto R3 (numero 09I03-03-V04-00356), esplora come proprietà intrinsecamente geometriche di dimensioni invisibili potrebbero generare i fenomeni che osserviamo, dalla rottura spontanea di simmetria all'espansione accelerata del cosmo.
Al centro dell'indagine vi sono le varietà G2, strutture matematiche che descrivono geometrie complesse in sette dimensioni. Diversamente dagli approcci precedenti che le consideravano statiche, questo lavoro introduce un elemento dinamico: il flusso di Ricci G2, un processo matematico che permette a queste forme di evolvere gradualmente nel tempo. Come spiega Pincak, queste geometrie extradimensionali possono possedere una proprietà chiamata torsione, analoga alla torsione elicoidale del DNA o alla chiralità delle molecole organiche. Si tratta di una sorta di "rotazione intrinseca" incorporata nella struttura stessa dello spazio.
Quando i ricercatori hanno modellato l'evoluzione temporale di queste geometrie torsionali, hanno scoperto che esse tendono naturalmente a stabilizzarsi in configurazioni chiamate solitoni, soluzioni matematiche che mantengono la loro forma nel tempo. Questi solitoni geometrici potrebbero fornire una spiegazione puramente spaziale di fenomeni finora attribuiti a campi quantistici, come la rottura spontanea di simmetria che nel Modello Standard della fisica delle particelle genera la massa delle particelle elementari attraverso il meccanismo di Higgs.
Il paradigma proposto rappresenta un'alternativa radicale al meccanismo di Higgs, che dal 2012 – anno della scoperta del bosone di Higgs al CERN – costituisce la spiegazione accettata di come i bosoni W e Z acquistino massa. Secondo la nuova teoria, questa massa non deriverebbe dall'interazione con il campo di Higgs, ma direttamente dalla torsione presente nelle dimensioni extra. In altre parole, la massa rifletterebbe il modo in cui lo spaziotempo risponde alla propria architettura interna, piuttosto che all'influenza di un ingrediente fisico separato sovrapposto alla geometria.
Le implicazioni si estendono ben oltre la fisica delle particelle. I ricercatori hanno identificato una connessione tra la torsione geometrica e la curvatura dello spaziotempo su scala cosmologica, un legame che potrebbe gettare luce sulla costante cosmologica positiva associata all'espansione accelerata dell'universo osservata alla fine degli anni Novanta. Questo fenomeno, comunemente attribuito all'energia oscura, troverebbe qui una possibile origine geometrica.
In un'audace speculazione, il team teorizza l'esistenza di una particella ancora sconosciuta legata alla torsione, denominata provvisoriamente "Torstone". Se confermata sperimentalmente, questa particella rappresenterebbe una firma diretta della geometria extradimensionale e potrebbe essere rilevabile in futuri esperimenti presso acceleratori di particelle o attraverso osservazioni astrofisiche ad alta precisione. Tuttavia, è fondamentale sottolineare che si tratta al momento di una previsione teorica che richiede conferme empiriche.
L'ambizione complessiva del lavoro è chiara: estendere l'intuizione di Einstein, secondo cui la gravità emerge dalla curvatura dello spaziotempo, all'intero spettro delle interazioni fondamentali. Se la geometria può generare la forza gravitazionale, perché non anche l'interazione elettrodebole e quella forte? Come osserva Pincak, la natura spesso preferisce soluzioni semplici ed eleganti, suggerendo che un principio unificatore geometrico potrebbe sostituire la molteplicità di campi quantistici del Modello Standard.
La ricerca si inserisce in una tradizione che affonda le radici nelle teorie di Kaluza-Klein degli anni Venti, che per prime ipotizzarono dimensioni extra per unificare gravitazione ed elettromagnetismo, e nelle moderne teorie delle stringhe che richiedono fino a dieci o undici dimensioni spaziotemporali. A differenza di questi approcci, tuttavia, la proposta di Pincak e collaboratori si concentra specificamente sulle proprietà dinamiche e topologiche delle varietà G2, una classe di spazi con caratteristiche geometriche uniche che li rendono particolarmente adatti a descrivere la fisica fondamentale.
Naturalmente, il passaggio dalla teoria alla verifica empirica rimane la sfida cruciale. Le dimensioni extra, se esistono, sono presumibilmente compattificate a scale estremamente piccole – probabilmente vicine alla lunghezza di Planck (circa 10^-35 metri) – rendendole inaccessibili agli attuali strumenti sperimentali. Tuttavia, effetti indiretti potrebbero manifestarsi attraverso sottili deviazioni dalle previsioni del Modello Standard, discrepanze nei rapporti di massa delle particelle o firme distintive nei dati cosmologici raccolti da missioni come il satellite Planck dell'ESA o i futuri osservatori gravitazionali di terza generazione.
Il dibattito scientifico su queste proposte è aperto e vivace. Mentre alcuni fisici teorici apprezzano l'eleganza matematica e il potenziale unificatore dell'approccio geometrico, altri sottolineano la necessità di predizioni verificabili che distinguano questa teoria da alternative concorrenti. La domanda fondamentale rimane: può la geometria da sola, senza l'aggiunta di campi quantistici, generare la ricchezza fenomenologica del mondo fisico? La risposta definitiva arriverà solo dall'interazione tra sviluppi teorici, progressi computazionali nella simulazione di queste geometrie complesse e, soprattutto, dalla prossima generazione di esperimenti ad alta energia e precisione cosmologica.