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La forza forte e la semplicità in un gioco come il nascondino

Il lavoro teorico e sperimentale di migliaia di fisici nel corso di molti anni ha portato a notevoli intuizioni riguardo alla natura fondamentale del nostro universo, che rivelano una relativa semplicità. Quel lavoro continua con approcci semplificati per aiutarci a capire uno degli enigmi rimanenti.

Ricerca di base

Tutto ciò che sappiamo è composto solo da 12 particelle di materia fondamentale le cui interazioni sono governate da quattro forze fondamentali. Tali forze comprendono la forza elettromagnetica, la forza gravitazionale, la forza forte e la forza debole: tutte lavorano su distanze diverse e hanno intensità diverse. Alle distanze molto brevi tra le particelle subatomiche dominano le forze deboli e quelle forti. La forza forte è di fondamentale importanza per la nostra descrizione del mondo quantistico, essendo la «colla» che tiene insieme i costituenti elementari nel nucleo di un atomo. Tuttavia, la sua descrizione è stata impegnativa. Il progetto AFFINITY, finanziato dall’UE, ha raccolto questa sfida. Con il supporto del programma internazionale di borse di studio delle azioni Marie Skłodowska-Curie, il borsista Lorenzo Bianchi della Queen Mary University of London ha notevolmente rafforzato le descrizioni di regimi fortemente accoppiati.

Una storia di due accoppiamenti

La teoria quantistica dei campi rappresenta il quadro concettuale e matematico per la fisica delle particelle elementari contemporanea. La recente scoperta di una dualità tra due teorie quantistiche dei campi ha creato un ponte tra regimi fortemente e debolmente accoppiati. Secondo Bianchi, «la cosiddetta corrispondenza AdS/CFT, o dualità gauge-gravità, implica che le tecniche ordinarie per studiare la gravità all’accoppiamento debole possono essere utilizzate per accedere alla teoria quantistica dei campi nel regime fortemente interagente». Bianchi ha deciso di sfruttare questo «strumento» con l’aiuto di fattori di forma che descrivono la produzione o l’annichilazione di particelle fondamentali e creano un ponte tra la teoria matematica e l’osservazione.

La scoperta di relazioni nascoste sblocca la semplificazione

La teoria delle perturbazioni svolge un ruolo importante nella meccanica quantistica. L’approccio perturbativo all’accoppiamento nella teoria quantistica dei campi si basa sull’idea che è facile calcolare risultati con accoppiamento zero (interazione particellare o perturbazione così piccola da poter essere trascurata). Man mano che l’accoppiamento aumenta, è possibile calcolare risultati di ordine più elevato nella perturbazione con precisione sempre maggiore, ma con crescente complessità. Nel regime non perturbativo, le cose si fanno più complicate. La cromodinamica quantistica è la teoria quantistica dei campi di interazioni forti e il suo regime non perturbativo è difficilmente accessibile. Le simmetrie nascoste possono essere la chiave. «Spesso, nella fisica delle particelle, le fasi intermedie di un calcolo sono molto più complicate del risultato finale. Le simmetrie nascoste forniscono semplificazioni sorprendenti, il che ci permette di superare questa difficoltà organizzando i nostri calcoli in modo efficiente». Il progetto AFFINITY si è rivolto alla teoria quantistica dei campi condividendo alcune proprietà con la cromodinamica quantistica ma con una simmetria migliorata per semplificare la nostra comprensione della forza forte.

Risultati dirompenti nella teoria delle perturbazioni

Il primo studio importante di Bianchi ha rivelato la presenza di una simmetria nascosta (chiamata simmetria conforme duale) nella struttura perturbativa dei fattori di forma. La seconda pubblicazione ha fornito una ricetta volta a ottenere ricorsivamente ordini sempre più elevati nell’espansione perturbativa del fattore di forma per piccoli valori dell’accoppiamento, un risultato estremamente importante sia in linea di principio che nella pratica. Bianchi conclude: «La semplicità delle leggi fondamentali della natura potrebbe benissimo essere nascosta in una formulazione matematica alternativa. Il nostro obiettivo in quanto fisici teorici è trovare una descrizione che renda questa semplicità evidente pur concordando con le prove sperimentali. È celebre l’affermazione di Einstein “Dio non gioca a dadi”. Potrebbe giocare a nascondino, però». Bianchi ci sta aiutando a trovare la nostra strada.

Parole chiave

AFFINITY, teoria quantistica dei campi, forza forte, perturbazione, simmetria, fattore di forma, cromodinamica quantistica, corrispondenza AdS/CFT

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