Science Made Simple: Cos'è la simmetria in fisica?

La simmetria in fisica esplora il comportamento delle particelle sotto inversioni spaziali, temporali e quantistiche, coinvolgendo sia cambiamenti discreti che continui. Essa sottende la coerenza delle leggi naturali e la riproducibilità sperimentale, influenzando pesantemente teorie moderne della fisica come la supersimmetria e potenzialmente svelando nuove particelle e forze. Credit: SciTechDaily.com

In fisica, la simmetria si riferisce a come le particelle si comportano quando spazio, tempo o numeri quantici vengono invertiti. Siamo abituati a vedere tipi semplici di simmetria nella vita di tutti i giorni. Ad esempio, un volto umano è quasi perfettamente simmetrico quando riflesso da sinistra a destra. Ma un volto è completamente asimmetrico quando riflesso dall'alto in basso, la metà superiore di un viso non assomiglia alla metà inferiore. Piccoli cambiamenti possono rompere la simmetria. Ad esempio, un volto con un neo su una guancia romperebbe la simmetria sinistra-destra.

La simmetria in fisica riguarda più dell'aspetto e della forma. Questo è in contrasto con la simmetria in biologia, che spesso si riferisce alla simmetria quando si discute di come gli organismi appaiono e come i loro corpi sono disposti.

La simmetria in fisica può riferirsi al fatto che le leggi della natura sono immuni ai cambiamenti nell'identità o nelle proprietà di certe particelle elementari. La simmetria può anche significare cambiamenti in ciò che potrebbero sembrare descrizioni matematiche astratte della natura.

Un quadrante dell'orologio è un esempio di trasformazione di parità. L'aspetto e il comportamento del quadrante dell'orologio se il sistema di coordinate viene invertito è un test di simmetria. Questa immagine mostra come appare e funziona l'orologio se è riflessa in uno specchio. Credit: Nathan Clarke, Ufficio della Scienza dell'Energia

La simmetria si riferisce spesso a come si comporta la natura quando le particelle sono scambiate con le loro antiparticelle (chiamato "coniugazione di carica"), quando le coordinate sono invertite come in uno specchio (chiamato "inversione di parità"), o quando il tempo è invertito (riavvolgendo il "film" all'indietro). I fisici chiamano queste tre simmetrie C (per carica), P (per parità) e T (per tempo). La cosiddetta simmetria CPT è discreta: avviene a passi.

I fisici contrastano la simmetria discreta con la simmetria continua, dove non ci sono passaggi tra i cambiamenti nella simmetria. Un esempio è la simmetria rotazionale come girare un cerchio. A differenza del caso di ruotare un quadrato, non ci sono punti in cui ruotare un cerchio rompe la simmetria.

Per gli scienziati, la simmetria traslazionale nel tempo e nello spazio è particolarmente importante. La simmetria traslazionale significa che le leggi della natura misurate da una persona in un determinato momento e in un determinato luogo non cambieranno se misurate da un'altra persona in un altro momento e in un altro luogo. Senza questa simmetria, le scienze fisiche e le leggi universali della natura non funzionerebbero. In altre parole, la simmetria nel tempo e nello spazio è ciò che rende gli esperimenti ripetibili e la scienza possibile.

Comprendere le simmetrie e le simmetrie rotte è importante per comprendere le proprietà fisiche della materia e del nostro universo.

Molti dei progressi in fisica negli ultimi alcuni centinaia di anni si sono basati su un crescente riconoscimento dell'importanza della simmetria nella generazione di teorie della natura. Se gli scienziati possono dedurre correttamente quali simmetrie sono valide, possono apprendere di più su che tipo di cose sono possibili nella natura, specialmente con le particelle subatomiche. Molti teorie che cercano di migliorare il modello standard della fisica delle particelle si basano sulla simmetria come principio guida. Ad esempio, la teoria della supersimmetria propone che tutte le particelle nel Modello Standard abbiano un partner simmetrico. In alternativa, se gli scienziati osservano una simmetria che si rompe quando non se lo aspettano, tale scoperta potrebbe indicare possibili nuovi modi per il comportamento della natura. Questo può includere nuove particelle e nuove forze.

La ricerca delle simmetrie fondamentali della natura è una domanda così profonda e ampia che coinvolge fisici con diverse competenze da quattro dei programmi dell'Ufficio della Scienza dell'Energia.

Questi programmi includono Scienze di Base dell'Energia (BES), Fisica delle Alte Energie (HEP), Fisica Nucleare (NP) e Ricerca Scientifica Avanzata (ASCR).

BES supporta tecniche per sintetizzare e caratterizzare materiali innovativi a livello atomico. Questi materiali spesso mostrano simmetrie rotte che portano a una comprensione scientifica più profonda e a nuove funzionalità con impatti potenziali per la missione energetica del DOE.

NP supporta fisici che impiegano tecniche avanzate per cercare simmetrie rotte per neutroni, protoni e vari isotopi nucleari. NP supporta anche sforzi per cercare un decadimento nucleare ancora da osservare noto come decadimento beta doppio senza neutrini. L'osservazione di questo decadimento mostrerebbe la creazione di materia in laboratorio senza alcuna materia antimateria bilanciante, una simmetria rotta che è essenziale per capire perché l'universo abbia abbastanza materia al suo interno per far sì che noi esistiamo.

HEP supports physicists searching for ways that symmetry can be violated by using the Deep Underground Neutrino Experiment, the Large Hadron Collider, and other experiments. Meanwhile, ASCR supports the computer theory, hardware, and software scientists needed to conduct and interpret such data-rich experiments.