La domanda contiene due argomenti distinti: il bosone di Higgs e il superamento del modello standard. Andando con ordine, al momento attuale il modello standard delle particelle elementari (formulato a cavallo degli anni Sessanta e Settanta del secolo scorso) è in grado di descrivere con grande accuratezza tutti i dati relativi al mondo delle particelle elementari, in particolari tutti i dati sperimentali provenienti dagli esperimenti con acceleratori. Tutte le particelle predette dal modello standard sono state trovate. L'unica che manca all'appello è il bosone di Higgs. Questa particella è molto importante per varie ragioni. La prima è legata alla sua funzione nel modello standard, che è quella di essere all'origine delle masse delle altre particelle. La seconda ragione è che, se scoperta, sarebbe la prima particella elementare scalare (cioè priva di spin: ricordo che lo spin si può pensare come la proprietà di una particella di ruotare su se stessa come una trottola, altri bosoni sono noti e perfino familiari, come il fotone, ma hanno tutti spin diverso da zero). Bisogna sapere che le teorie più in voga oggi sono piene di particelle scalari, ma nessuna è ancora mai stata trovata sperimentalmente. L'LHC (Large Hadron Collider) a Ginevra è stato costruito con lo scopo primario di verificare l'esistenza del bosone di Higgs. La sua energia nel centro di massa raggiungerà i
14000 GeV (un GeV corrisponde a un'energia un po' maggiore della massa del protone) e quindi dovrebbe essere in grado di sondare la regione di energia in cui la particella di Higgs viene prodotta.
L'incertezza nasce dal fatto che il modello standard predice l'esistenza ma non la massa di questa particella.
In attesa dei dati dell'LHC possiamo per ora prendere in considerazione due alternative: 1) la particella di Higgs viene scoperta: questo confermerebbe in via definitiva il modello standard come la teoria che interpreta correttamente le tre interazioni fondamentali unificate per l'appunto dal modello standard, cioè le interazioni elettromagnetica, debole e forte; 2) la particella di Higgs non c'è: questo richiederebbe una revisione piuttosto radicale del modello standard; è vero che la recente scoperta della massa dei neutrini ha già richiesto una modifica del modello standard originario, ma si tratta di una modifica abbastanza modesta, mentre la revisione di cui sopra sarebbe molto più radicale.
L'aspettativa generale è però che LHC rivelerà l'esistenza del bosone di Higgs, con una massa la cui previsione varia da più di 100 GeV a circa 600 GeV. L'aspettativa è motivata dal fatto che il modello standard si è rivelato finora un meccanismo troppo perfetto perché si possa credere che abbia bisogno di radicali revisioni, almeno nella regione di energia esplorata dall'LHC. I compiti dell'LHC non si esauriscono nella ricerca dell'Higgs. Ci si attende anche "nuova fisica", cioè significative deviazioni o, meglio, arricchimenti rispetto al modello standard, con, in particolare, la scoperta di nuove particelle. Da dove nasce questa aspettativa? La fisica delle interazioni fondamentali non si esaurisce, come noto, nelle tre interazioni menzionate più in alto, ne esiste una quarta, la gravitazione; parallelamente, esistono altri fenomeni di alta energia oltre a quelli che si verificano negli acceleratori, fenomeni studiati dall'astrofisica e dalla cosmologia. Negli ultimi anni sono stati fatti progressi impressionanti dal punto di vista sperimentale. Analizzando la radiazione di fondo dell'universo si è riusciti ad avere un'idea molto più precisa dell'evoluzione dell'universo, analizzando le supernove si è arrivati alla conclusione che l'espansione dell'universo sta accelerando, e così via. Si sa ora che la materia barionica, cioè quella di cui sono fatte stelle e pianeti e di cui siamo fatti noi, è solo una piccola frazione (il 4 per cento) della massa-energia dell'universo. Una parte (22 per cento) è costituita da materia "oscura", le cui proprietà differiscono da quelle della materia barionica. Tutto il resto è energia "oscura", una forma di energia non ancora ben compresa e la cui descrizione più accreditata è rappresentata dalla costante cosmologica introdotta molto tempo fa da Einstein. Questa materia e questa energia (il 96 per cento dell'Universo) non possono essere quelle descritte dal modello standard delle particelle elementari.
Esiste peraltro un altro modello, anch'esso chiamato standard, quello dell'astrofisica e cosmologia, basato sulla relatività generale, che è in grado di interpretare bene tutti i nuovi dati sperimentali astrocosmologici. Ma i due modelli standard sono assolutamente distinti e da non confondere. Questo riflette il fatto che la gravitazione e le altre tre interazioni fondamentali sono trattate separatamente, cioè non in maniera unificata. Una situazione completamente insoddisfacente dal punto di vista teorico. La teoria fisica delle interazioni fondamentali deve essere unica e naturalmente deve inglobare i due modelli standard. Lo richiede la logica, l'evoluzione passata della Fisica e anche la auto-coerenza quantistica della teoria.
Esiste già una candidata con queste caratteristiche, la teoria delle superstringhe. Questa teoria unifica le forze fondamentali, non ha parametri liberi (al contrario dei due modelli standard di cui sopra, che ne hanno una ventina a testa con valori fissati dagli esperimenti e non predetti dalla teoria) e può contenere i due modelli standard. Sfortunatamente la nostra conoscenza di questa teoria è ancora troppo limitata per estrarre da essa vere predizioni alle energie dell'LHC, e avere quindi la possibilità di verificarne la validità.
Perciò per descrivere la fisica dell'LHC dovremo accontentarci di modelli "efficaci", cioè di modelli che non hanno la pretesa di essere completi e internamente coerenti, ma che possono efficacemente descrivere i dati sperimentali. Questi modelli sono pensati come approssimazioni della teoria fondamentale ancora sconosciuta. Negli ultimi anni si è assistito alla formulazione da parte dei fisici teorici di numerosissimi modelli di questo tipo con altrettanto numerose predizioni sperimentali. La creazione di questi modelli si basa in parte su argomenti rigorosi, in parte su argomenti induttivi e in parte su ipotesi indimostrate. Molti di questi modelli sono stati suggeriti dalla teoria della superstringa o, quanto meno, da una sua caratteristica fondamentale, la supersimmetria, cioè la simmetria tra bosoni e fermioni, una simmetria evidentemente non vera alle nostre energie ma che si ipotizza possa diventare una simmetria esatta in natura a energie sufficientemente alte). Infatti una possibilità che si prospetta all'LHC è la scoperta di particelle
supersimmetriche (o meglio delle partner supersimmetriche di particelle già note o da scoprire, come il bosone di Higgs).
Ma ci sono altre possibilita' eccitanti: che LHC possa produrre particelle legate al settore di gravità, microbuchi neri, le particelle che costituiscono la materia oscura, o produrre segnali che indicano che il nostro spazio non è tridimensionale, ma ha dimensioni aggiuntive (un'altra idea mutuata dalla teoria
delle superstringhe).
Per concludere, pur non trascurando la eventualità perversa ma non impossibile che la fisica interessante sia a energie ancora più elevate di quelle esplorate dall'LHC, quello che ci aspettiamo dall'LHC è di 'vedere' la particella di Higgs ma anche tanto altro. Speriamo di vedere fenomeni che ci aiutino a definire un modello efficace capace di descrivere la nuova fisica. Questo modello sarà un gradino intermedio necessario per costruire la teoria che unifica tutte le forze fondamentali e contiene, in particolare, il modello standard delle particelle elementari come una sua approssimazione. Se questa teoria sarà la teoria delle superstringhe o un'altra teoria non lo sappiamo. Noi fisici teorici possiamo tifare per una teoria o per un'altra, ma naturalmente la parola spetta ora all'LHC e alle formidabili equipe che ci lavorano. Fra due o tre anni sapremo le prime risposte.
Loriano Bonora
Settore di Teoria delle Particelle Elementari, SISSA, Trieste