Addio, SUSY?

La Supersimmetria si fa desiderare. E qualcuno comincia a disperare

di Silvia Fracchia

La fisica, va da sé, non è una religione. E le sue teorie non sono dogmi inconfutabili. Seguendo il metodo scientifico, noi possiamo costruire una teoria, proporla e cercarne delle conferme sperimentali. La nostra teoria può essere in apparenza valida e illuminante, ma resterà pur sempre solo un’ipotesi senza conferme fino a quando non riusciremo a provarla con l’esperimento. E, anche qualora riuscissimo a confermarla, meglio non cantare vittoria: potrebbe sempre arrivare un guastafeste con una controprova e smontarci la teoria in quattro e quattr’otto.

Pensiamo ad esempio al dilemma dell’etere luminifero, su cui i fisici si sono arrovellati per oltre due secoli ponendosi domande del tipo: “Esiste o non esiste questo misterioso mezzo di propagazione delle onde elettromagnetiche? E, se esiste (perché deve esistere), per quale motivo il moto dei corpi non mostra il minimo segno della sua presenza?”. L’etere non esiste, naturalmente, ma fu necessario aspettare Lorentz e Einstein per capirlo.

E’ trascorso poco più di un secolo da allora, e il mondo della fisica delle particelle si trova oggi davanti a uno scenario simile: una teoria, la Supersimmetria (SUSY, per gli amici), senza dubbio affascinante e plausibile, ma senza alcuna prova sperimentale a suo sostegno. Forse troppo bella per essere anche vera.

Le notizie che arrivano da Ginevra non sono confortanti per i sostenitori di SUSY: a tutt’oggi non è ancora stata rivelata alcuna particella supersimmetrica, come emerge da alcuni resoconti (il primo, il secondo, il terzo, il quarto) degli esperimenti CMS e ATLAS in corso presso il Large Hadron Collider (LHC), il collisionatore di protoni del CERN, che ha ripreso a funzionare il 20 febbraio dopo una pausa durata due mesi per motivi di manutenzione.

CMS... (Cortesia: CERN)

...e ATLAS. (Cortesia: CERN)

Come mai la teoria supersimmetrica gode di così tanta attenzione ed è oggetto di una così grande ammirazione da parte di alcuni fisici teorici, tanto che Gordon L. Kane, dell’Università del Michigan, la definisce addirittura “meravigliosa e unica”? La risposta non è affatto semplice, ma per intuire il fascino e la potenza di SUSY non occorre essere specialisti della fisica delle particelle elementari.

Tutti hanno sentito parlare del bosone di Higgs, altrimenti noto come “particella di Dio”: la sua ricerca è uno degli scopi principali dell’LHC. All’interno del Modello Standard, la teoria in grado di descrivere le particelle elementari costituenti la materia ordinaria e le loro interazioni, l’esistenza del bosone di Higgs è prevista teoricamente ed è necessaria al fine di attribuire la massa a tutte le altre particelle attraverso un meccanismo che, pure lui, prende il nome di Higgs. Ma, com’è risaputo, il famoso bosone non è ancora stato scoperto e la sua massa non è quindi nota con precisione. Inoltre alcuni effetti quantistici dovuti all’interazione con altre particelle fanno sì che il valore previsto teoricamente per la sua massa sia soggetto a importanti fluttuazioni, con un risultato drammatico: essa può crescere a tal punto da minare la validità del Modello Standard, attribuendo alle particelle ordinarie una massa molto più elevata di quella effettiva. Per superare quest’ostacolo, noto come “problema della gerarchia”, ci sono due soluzioni: o si determina con esattezza il valore della massa dell’Higgs, oppure si trova un meccanismo che compensi le sue fluttuazioni, come quello ipotizzato nella teoria supersimmetrica.

Il Modello Standard delle particelle elementari: quark, leptoni e bosoni di gauge.

Concepita già a partire dalla fine degli Anni Sessanta, SUSY ha trovato una reale applicazione nel Modello Standard dal 1981. Essa prevede una simmetria tra bosoni e fermioni, ossia tra particelle dotate di spin rispettivamente intero e semi-dispari. Pertanto ogni particella elementare dovrebbe possedere un partner supersimmetrico con una massa più elevata e con uno spin differente di mezza unità: a ogni quark, che è un fermione, corrisponderebbe quindi un superquark (o squark) di spin intero, ossia un bosone, e lo stesso dovrebbe valere per tutte le altre particelle. In quale modo allora SUSY offre una soluzione al problema della massa dell’Higgs? Le fluttuazioni dovute all’interazione con le particelle supersimmetriche andrebbero a compensare quelle dovute alle particelle ordinarie rendendo stabile la massa del bosone di Higgs.

Ma la Supersimmetria non si limita a questo. Infatti il neutralino, un tipo di superparticella stabile e leggera, è visto come il più probabile candidato a costituire la materia oscura. Inoltre la prova della validità di SUSY permetterebbe di compiere un notevole passo avanti nella Teoria di Grande Unificazione (GUT), avente lo scopo di unificare tre delle quattro interazioni fondamentali: le interazioni nucleari forte e debole e quella elettromagnetica. Nella speranza di riuscire a ottenere, un giorno, una Teoria del Tutto in grado di includere anche la quarta interazione fondamentale: quella gravitazionale.

Uno scenario grandioso, insomma. Peccato che finora delle superparticelle non ci sia alcuna traccia. E non si possono certo biasimare i ricercatori che, nel tentativo di rivelarle, hanno sfruttato ogni mezzo finora a disposizione. La ricerca si è già svolta al Tevatron, il collisionatore di protoni e antiprotoni del Fermilab di Batavia, nell’Illinois, e ha permesso di fissare come limite inferiore per la massa delle particelle supersimmetriche il valore di circa 400 GeV. Con il Large Hadron Collider, dove i fasci di protoni sono accelerati a 3,5 TeV prima di scontrarsi, rendendo disponibile nel centro di massa un’energia di 7 TeV, il limite inferiore è stato fissato a 700 GeV ed entro la fine dell’anno potrebbe essere portato addirittura a 1.000 GeV.

I fisici non possono che essere spietatamente realisti di fronte all’evidenza e dichiarare che la teoria sarà messa da parte se non emergerà qualche risultato entro la fine del 2011. Chris Lester, un ricercatore dell’Università di Cambridge impegnato in ATLAS, riconosce che SUSY è sempre più in fase di abbandono, sebbene in molti non si arrendano e spostino la scadenza alla fine del 2012, nella speranza di non veder svanire il sogno di una teoria alla quale hanno dedicato oltre 30 anni di studio.

Tuttavia, come abbiamo detto all’inizio, la fisica non è una religione e non si può essere devoti a una teoria. Se la Supersimmetria verrà abbandonata, si potrà solo guardare avanti e cercare qualcosa di nuovo.

The ATLAS Collaboration (2011). Search for supersymmetry using final states with one lepton, jets, and
missing transverse momentum with the ATLAS detector in sqrt{s} = 7 TeV pp arXiv arXiv: 1102.2357v2

CMS Collaboration (2011). Search for Supersymmetry in pp Collisions at 7 TeV in Events with Jets
and Missing Transverse Energy arXiv arXiv: 1101.1628v1

The ATLAS Collaboration (2011). Search for squarks and gluinos using final states with jets and missing transverse momentum with the ATLAS detector in sqrt(s) = 7 TeV proton-proton
collisions arXiv arXiv: 1102.5290v1

Alessandro Strumia (2011). The fine-tuning price of the early LHC arXiv arXiv: 1101.2195v2