Il nuovo acceleratore di particelle in funzione a Ginevra è stato progettato per dare la caccia al bosone di Higgs. Tuttavia, le caratteristiche del Large Hadron Collider sono state pensate anche per un altro motivo, molto più eccitante. L'energia prodotta dallo scontro di protoni al CERN è così elevata che per la prima volta andremo a scoprire quali misteri si celano oltre l'attuale teoria delle particelle elementari. A differenza di tutti gli acceleratori che l’hanno preceduto, LHC è in grado di ricreare situazioni fisiche così estreme che i fisici teorici non hanno un'idea univoca di cosa verrà scoperto. Le ipotesi tuttavia non mancano e presto sapremo chi vincerà la scommessa: supersimmetria, stringhe, extra dimensioni, buchi neri? E, a sorpresa, persino il principio antropico è in ballo. Alcuni di questi termini apparentemente fantascientifici diventeranno presto di uso comune. Vediamo dunque di cosa si tratta. Prima di descrivere la nuova fisica è utile capire i problemi di quella attuale. Tutto quello che sappiamo sull'universo microscopico è descritto da un'elegante teoria chiamata Modello Standard. Proposto alla fine degli anni sessanta dai fisici Glashow, Weinberg e Salam, questa teoria quantistica di campo spiega tutti i fenomeni finora osservati in laboratorio. La precisione di questo modello è impressionante e tutte le sue predizioni hanno superato i test sperimentali senza battere ciglio, portando più volte alla scoperta di nuove particelle predette dalla teoria, come ad esempio i bosoni vettori dell'interazione debole scoperti al CERN (premio Nobel a Carlo Rubbia nel 1984), oppure il quark top, scoperto al Fermilab di Chicago (il cui acceleratore Tevatron ha ceduto a LHC il primato di macchina più potente al mondo) nel 1995.

L'unica particella predetta dal Modello Standard e non ancora osservata è il bosone di Higgs, di cui ci siamo occupati nell'articolo precedente. Per quanto riguarda LHC, c'è un altro aspetto curioso da menzionare: se l'Higgs fosse un po' più leggero di quello che si crede, LHC non riuscirebbe a vederlo. Il nuovo acceleratore è stato costruito in base ai dati raccolti al Fermilab, dove l'Higgs stesso non è mai stato osservato e questo ha permesso di stabilire che deve essere più pesante di un certo valore minimo. Ma recentemente si è capito che, in certi scenari supersimmetrici (vedremo oltre cosa significa), il bosone di Higgs potrebbe essere leggero e dunque Tevatron lo avrebbe mancato! La spiegazione del misfatto è semplice: il bosone di Higgs è una particella instabile, subito dopo essere stato creato, decade in certe altre particelle più leggere, studiando le quali riusciamo a risalire all'identità dell'Higgs. Purtroppo, i fisici teorici hanno tralasciato certi decadimenti detti “esotici”, che dunque non sono stati cercati dagli sperimentali! Ma non tutto è perduto: un team di post doc sta spulciando tutti i dati raccolti dal Tevatron, alla caccia di questi comportamenti esotici dell'Higgs. Quel che è certo è che una scoperta dell'Higgs tra gli scarti del Tevatron creerebbe non pochi imbarazzi tra i finanziatori multimiliardari di LHC...

Ma torniamo al Modello Standard. Questa teoria contiene al suo interno il seme della propria rovina, che va sotto il nome di “problema della gerarchia”. Per capire questo problema è stato costruito LHC. La parte della teoria che descrive il bosone di Higgs è estremamente sensibile alle fluttuazioni quantistiche. In mancanza di “nuova fisica”, l'effetto naturale di tali fluttuazioni è di aumentare a dismisura la massa dell'Higgs, fino a portarla alla massa di Planck, circa quindici ordini di grandezza oltre l'energia prodotta a LHC. Dall'altra parte, negli ultimi anni le misure di precisione al Fermilab e al CERN stesso hanno inchiodato (per consistenza stessa della teoria) la massa dell'Higgs esattamente nella finestra di valori in cui lo si sta cercando ad LHC. L'enorme gerarchia presente tra la massa di Planck e il valore stimato della massa dell'Higgs è il sintomo che qualcosa di fondamentale deve succedere alle microscopiche distanze che vedremo ad LHC, capace di cancellare in qualche modo le violente fluttuazioni quantistiche. E dunque, la natura a livello microscopico deve essere radicalmente diversa da quello che è stato finora osservato: da qui le numerose possibili alternative della “nuova fisica,” ognuna delle quali porta con sé una rivoluzione concettuale.

Il problema dei fisici teorici è dunque capire come sia possibile che l'instancabile nuvola di particelle virtuali che dovrebbero circondare il bosone di Higgs sia in realtà del tutto assenti. Immaginiamo ora che, oltre alle quattro dimensioni continue che vediamo, esista una nuova dimensione quantistica di tipo “binario”, in cui le uniche quantità possibili sono zero o uno, e non due centimetri e mezzo o tre, quattro, dieci secondi. Supponiamo che ognuna delle particelle osservate in natura, l'elettrone, il fotone, i quarks, abbiano dei gemelli, che chiameremo superpartners, che si muovono nelle quattro dimensioni ordinarie, più la nuova dimensione quantistica. Ora, in questa nuova dimensione binaria, le violente fluttuazioni quantistiche di cui abbiamo parlato sopra sono del tutto assenti. Di conseguenza, il superpartner dell'Higgs, chiamato higgsino, sarà naturalmente leggero, perché è assente il meccanismo che lo porterebbe alla massa di Planck. Ma se l'higgsino è leggero, pure il suo celebre gemello, il bosone di Higgs, deve essere leggero: ecco risolto il problema della gerarchia! La simmetria grazie alla quale ogni particella ordinaria è duplicata in una gemella è stata chiamata supersimmetria.

Se la supersimmetria fosse scoperta ad LHC si tratterebbe di una vera e propria rivoluzione: l'attuale comprensione dello spaziotempo, codificata da Einstein nella teoria della relatività generale, ha resistito infatti per quasi un secolo e la supersimmetria è la sua unica possibile estensione. Ecco il primo esempio in cui la soluzione del problema della gerarchia porta a riconsiderare la nostra concezione dello spaziotempo. La scoperta della supersimmetria sarebbe inoltre un indizio indiretto in favore della teoria delle stringhe, l'attuale candidato per una teoria della gravità quantistica: la consistenza stessa della teoria delle stringhe richiede che la natura sia supersimmetrica a distanze microscopiche. Siccome finora non è mai stato osservato in natura un superpartner, la supersimmetria non può essere una simmetria esatta della natura, ma soltanto approssimata ad alte energie, ovvero piccole distanze: LHC sarebbe la prima lente d'ingrandimento in grado di osservare i superpartner.