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Fisica oltre il Modello Standard e origine della simmetria elettrodebole

Diversi fenomeni osservati in Natura non trovano una spiegazione all'interno delle nostre più avanzate teorie fisiche. Queste osservazioni lasciano dunque grandi punti interrogativi e motivano estensioni delle teorie attuali che possano spiegare:

• Da dove viene tutta la materia di cui siamo fatti noi stessi e tutto ciò che ci circonda?
• Che cosa é la materia oscura presente nell'Universo?
• Cosa guida l'espansione dell'Universo?

Infinitamente grande, infinitamente piccolo

Queste domande riguardano aspetti della fisica che regola l'Universo su grande scala, fino alle dimensioni dell'Universo osservabile (e oltre?) e allo stesso tempo coinvolgono aspetti delle interazioni tra i più piccoli costituenti della materia. Queste interazioni oggi sono direttamente conosciute fino a distanza di circa \(10^{-18}\) metri (un millesimo della dimensione del protone, ovvero il più piccolo nucleo atomico) e sono per la maggior parte ben descritte dal Modello Standard delle particelle elementari di Glashow, Weinberg, e Salam. Tuttavia questo modello non riesce a fornire spiegazioni alle domande sopraelencate perché (del tutto o in parte) privo degli ingredienti necessari a dare risposte a queste domande. Inoltre, il modello stesso introduce nuove domande circa le interazioni che lo caratterizzano, come ad esempio:

• Da dove viene la massa delle particelle elementari?

Proprietà fondamentali della Natura

Questa domanda é strettamente legata alle domande sopraelencate perché le masse delle particelle elementari determinano importanti proprietà del nostro Universo. Ad esempio la dimensione degli atomi é dettata dal raggio di Bohr, ovvero dall'inverso della massa dell'elettrone: \(a_0 \sim 1/m_e\). Per un altro esempio, le masse dei bosoni vettori e delle particelle elementari determinano i tempi e le caratteristiche delle fasi dell'evoluzione dell'Universo primordiale ² . Affinché esistano masse per le particelle elementari é necessario che la simmetria elettrodebole sia rotta su distanze macroscopiche, ma sappiamo che le interazioni a distanze microscopiche rispettano questa simmetria. Dunque sorge una domanda, che é un tema portante della mia ricerca: 

• Come é realizzata in Natura la rottura della simmetria elettrodebole?

Rottura della simmetria debole e nuova fisica

Le interazioni deboli sono le uniche interazioni fondamentali i cui bosoni vettori, i bosoni \(W\) e \(Z\), hanno una massa e per tanto agiscono solo a corte distanze, inferiori a quelle delle dimensione di un atomo. In particolare la simmetria elettrodebole associata ai bosoni \(W\) e \(Z\) é spontaneamente rotta e oggi sappiamo con buona accuratezza che l'agente responsabile di questa rottura é il bosone di Higgs. Dunque la peculiarità delle interazioni deboli é evidente e lo studio della rottura della simmetria ad essa associato é un problema di grande interesse per la fisica teorica. Inoltre, per il ruolo che questa simmetria gioca nella generazione delle masse delle particelle elementari, capire l'origine della simmetria debole e la dinamica associata alla sua rottura é molto importante per la fenomenologia delle particelle elementari e per lo studio dell'Universo a grande scala.

Con queste motivazioni la mia ricerca sulla rottura della simmetria debole si articola:

• costruendo modelli di nuova fisica per la dinamica responsabile per la rottura della simmetria elettrodebole;
• studiando le manifestazioni sperimentali di questi modelli e le proprietà del Modello Standard più sensibili alla nuova fisica.

Quest'ultimo punto é molto vicino alle attività del Prof. Giuseppe Degrassi. Inoltre, in alcuni scenari di nuova fisica il problema della rottura della simmetria elettrodebole può essere facilmente messo in collegamento con quello dell'origine della massa dei neutrini e della dinamica responsabile per la struttura di masse e mescolamenti delle masse dei fermioni investigato da Davide Meloni.

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Modelli di nuova fisica

La mia attività di ricerca mira alla costruzione di modelli che forniscono spiegazioni ad alcuni peculiari aspetti del Modello Standard, come ad esempio la sensibilità della massa del bosone di Higgs a fisica di cortissime distanze (in principio distanze molto oltre le attuali e futuribili capacità degli esperimenti di laboratorio). I modelli da me studiati introducono nuova dinamica, e quindi nuove interazioni, che spiegano queste caratteristiche del Modello Standard e ad esempio risolvono il problema della stabilità radiativa della scala elettrodebole, oppure l'origine delle masse e mescolamenti delle particelle fondamentali, oppure identificano possibili nuove particelle candidate ad essere la materia oscura dell'Universo.

Questi modelli servono sia a capire quali sono le caratteristiche di possibili teorie che superano ed estendono il Modello Standard sia a capire quali sono le loro manifestazioni misurabili in esperimenti.

Fisica dei collider

I collisori di particelle permettono di studiare la natura delle interazioni di particelle a distanze cortissime. Oggigiorno si studiano interazioni alle scale 1/TeV, ovvero \(10^{-18}\) metri, dove le leggi fisiche sono quelle dettate dal Modello Standard di Glashow, Salam e Weinberg. Allo stesso tempo a queste distanze ci aspettiamo di vedere i primi segnali della nuova fisica ed in particolare della dinamica responsabile per la rottura della simmetria elettrodebole.

I collisori di particelle permettono di accelerare particelle a grande energia ed osservare un grande numero di interazioni tra particelle, rendendo possibili studi di precisione delle leggi della Natura volti a testare le predizioni del corrente Modello Standard e ad evidenziare possibili nuove interazioni fondamentali. Ad esempio la recente scoperta del bosone di Higgs al Large Hadron Collider ha messo in luce l'esistenza di una nuova interazionemediata dalla nuova particella. Ad oggi le osservazioni indicano una buona compatibilità con l'ipotesi che questa interazione sia direttamente proporzionale alla massa delle particelle elementari. Tuttavia gli esperimenti continuano ad aumentare la precisione delle loro osservazioni in cerca di piccole deviazioni rispetto a suddetta ipotesi, come previste da molti modelli di nuova fisica oltre il Modello Standard ed in particolare da quelli motivati dal mistero della rottura della simmetria elettrodebole.

Large Hadron Collider

La mia ricerca riguardo il Large Hadron Collider mira a capire l'impatto dei risultati degli esperimenti di ricerca di fisica oltre il Modello Standard e alla formulazione di nuove strategie per la ricerca di nuova fisica. Inoltre nella mia ricerca mi occupo della formulazione di metodi per la misura di precisione di proprietà del Modello Standard, ad esempio la massa del top quark oppure le interazioni di tra bosoni vettori e tra bosoni vettori e bosoni di Higgs e fermioni.

Futuri Collider

La mia ricerca riguardo i progetti di futuri acceleratori parte dalle domande ancora aperte sulle interazioni fondamentali e sulla struttura e l'origine dell'Universo. Nella mia attività cerco di capire quali di queste domande possono trovare una risposta con esperimenti di collisione di particelle in laboratorio e quali invece necessitano altri tipi di investigazioni. Inoltre la mia ricerca é volta a quantificare l'impatto che futuri collider possono avere per testare a fondo le idee teoriche legate alle domande di base elencate sopra.