Le costanti di accoppiamento e l’unificazione delle interazioni

Costanti di accoppiamento “running”

Il valore ufficialmente misurato di a_s è 0.119 +/- 0.002. E’ una misura dell’intensità dell’interazione forte che lega insieme i quark in particelle composte come i protoni o i neutroni. Per collocarla nel contesto, confrontiamola con le altre interazioni della natura. La gravità, l’interazione più familiare nella vita di tutti i giorni, ha una costante di accoppiamento cento milioni di milioni di milioni di milioni di milioni di milioni di volte più piccola. L’interazione debole, responsabile del decadimento radioattivo beta e de processi che generano l’energia delle stelle, ha una costante di accoppiamento 10 000 volte più piccola di quella forte. Anche l’interazione elettromagnetica, quella che tiene legati atomi e molecole, porta l’elettricità nelle nostre case e dà agli elettromagneti la loro forza impressionante, è circa 100 volte più debole dell’interazione forte.

Abbiamo imparato che le costanti di accoppiamento delle interazioni della natura sono molto diverse. E’ questa differenza che regola il comportamento dell’Universo di oggi. La gravità determina il comportamento su grande scala, agendo con delicatezza fra tutte le masse dell’Universo. E’ lei che tiene i pianeti del sistema solare in orbita intorno al sole. L’interazione elettromagnetica tiene in orbita gli elettroni intorno ai nuclei, e regola il comportamento della materia atomica su scala molecolare. Le interazioni forte e debole determinano il comportamento della materia a scale ancora più piccole, nucleari.

Può apparire sorprendente ma, nonostante le enormi differenze nell’intensità delle interazioni, i fisici credono che tutte siano parte dello stesso fenomeno. Lo scopo ultimo della fisica moderna è trovare un singolo contesto teorico che le descriva tutte. Un indizio importante che potrebbero essere tutte uguali viene dal fatto che le costanti di accoppiamento non sono affatto costanti. Variano con l’energia del fenomeno in cui sono misurate. Il valore di a_s citato sopra è valido solo per fenomeni che avvengono ad energia di circa 91 GeV, la massa della particella Z. Analogamente, il valore della costante di accoppiamento per l’interazione elettromagnetica è stato misurato essere circa 1/137 negli studi dei fenomeni atomici. Quando viene misurata all’energia di LEP, però, il suo valore aumenta a circa1/128. Si dice che il valore della costante di accoppiamento “corre” ('run') con l’energia, e le costanti stesse sono spesso indicate come costanti di accoppiamento “running”.

Le costanti di accoppiamento “running”.

Gli scienziati sono convinti che aumentando sempre di più l’energia a cui effettuano gli studi (raggiungendo una risoluzione sempre migliore) vedranno i valori delle costanti di accoppiamento avvicinarsi fra loro sempre di più. Credono che a un’energia prossima a quella che c’è stata nel Big Bang tutte le interazioni abbiano la stessa intensità; le diverse interazioni che conosciamo si sarebbero differenziate man mano che l’Universo si espandeva e si raffreddava. Questa idea è chiamata Unificazione delle Interazioni.

Può sembrare un'ipotesi remota, ma ci sono già stati grandi successi sulla strada verso l’unificazione. Nella seconda metà del 19mo secolo, Maxwell unificò due fenomeni apparentemente diversi: elettricità e magnetismo. Poi, negli anni ’70, i fisici riuscirono a unificare l’elettromagnetismo con l’interazione debole.

La teoria finale descriverà l’unica interazione fondamentale da cui è nato l’Universo.