La Medaglia Dirac va ai fisici della supersimmetria

(Ictp) – Il Centro Internazionale di Fisica Teorica “Abdus Salam” (ICTP) di Trieste ha conferito ieri il Premio e la Medaglia Dirac 2016 a Nathan Seiberg (Institute for Advanced Study, Princeton), Mikhail Shifman (University of Minnesota) e Arkady Vainshtein (University of Minnesota), per il loro determinante apporto a una migliore comprensione delle teorie di campo in regime non-perturbativo e in particolare per il raggiungimento di risultati esatti nelle teorie di campo supersimmetriche.

Con questo Premio, fin dal 1985, l’ICTP di Trieste celebra Paul Maurice Dirac, uno dei più grandi fisici del ventesimo secolo e vincitore del premio Nobel nel 1933. Dirac ha costantemente visitato l’istituto triestino a partire dal 1968. La cerimonia di assegnazione del Premio, svoltasi a Miramare nell’Aula Magna dedicata a Paolo Budinich, ha visto la partecipazione dei vincitori dell’edizione dell’anno scorso.

La Medaglia Dirac dell’ICTP è particolarmente ambita nella comunità dei fisici teorici: in passato, infatti, è stata spesso il preludio alla vincita del premio Nobel, come nel caso dell’americano David Gross o del giapponese Yoichiro Nambu, insigniti del prestigioso riconoscimento da parte dell’accademia svedese rispettivamente nel 2004 e nel 2008. Anche importanti scienziati italiani hanno vinto la Medaglia Dirac dell’ICTP in passato, tra cui Luciano Maiani, ex-direttore del Cern di Ginevra, e Giorgio Parisi, fisico della Sapienza di Roma membro dell’Accademia dei Lincei.

La motivazione scientifica del premio di quest’anno è legata al fatto che la tecnica standard per molti calcoli in teoria quantistica dei campi sia la cosiddetta espansione perturbativa, un metodo di approssimazione che produce una serie di termini di complessità crescente. Quando gli accoppiamenti tra particelle sono deboli i primi termini dello sviluppo racchiudono le caratteristiche più importanti mentre i termini successivi, che diventano sempre più difficili da trattare, aggiungono solo piccole correzioni. La teoria perturbativa non è però efficace quando gli accoppiamenti tra particelle sono forti, come avviene in particolare nel caso della cromodinamica quantistica (QCD), la teoria delle interazioni fra quark e gluoni che generano protoni, neutroni e altri adroni. Per esempio, il processo di confinamento che a basse energie tiene i quark e i gluoni saldamente all’interno degli adroni non può essere compreso con metodi perturbativi. Anche altre proprietà fondamentali degli adroni, come le loro masse, sono non-perturbative.

Seiberg, Shifman and Vainshtein hanno fornito un cruciale contributo alla comprensione della teoria quantistica dei campi (in inglese Quantum field theory o QFT) nei regimi non-perturbativi, in particolare in quei casi speciali di QFT che vanno sotto il nome di teorie di campo supersimmetriche.

La collaborazione tra Shifman e Vainshtein, iniziata quarant’anni fa a Mosca, si è rivelata tra le più proficue della fisica teorica. Oltre a vari lavori su teorie di campo fortemente accoppiate, essi hanno introdotto l’uso del condensato di gluone (una proprietà dello stato di vuoto nella cromodinamica quantistica) e sviluppato le cosiddette regole di somma Shifman-Vainshtein-Zakharov (SVZ), le quali permettono di mettere in relazione le proprietà osservate degli adroni con il condensato di gluone e altri condensati, superando il problema di cercare di calcolare tutto perturbativamente da principi primi.

Shifman e Vainshtein hanno apportato sviluppi fondamentali anche allo studio non perturbativo di teorie di gauge supersimmetriche (la stessa QCD è una teoria di gauge non supersimmetrica). Tali studi sono culminati negli anni ’80 del secolo scorso nella proposta della funzione beta esatta Novikov-Shifman-Vainshtein-Zakharov (NSVZ). Nella teoria quantistica dei campi, la funzione beta descrive la dipendenza di una costante di accoppiamento dalla scala di energia (ad esempio, l’aumentato accoppiamento a basse energie è un aspetto decisivo del confinamento). Di solito le espressioni per le funzioni beta non sono esatte e nella teoria perturbativa sono soggette a correzioni dovute a termini di ordine più alto.

Seiberg è uno dei fisici teorici più riconosciuti a livello internazionale e fin dagli anni ’90 del secolo scorso ha contribuito allo sviluppo delle teorie di gauge supersimmetriche grazie a scoperte fondamentali.

In particolare ha usato una proprietà matematica di queste teorie – l’olomorfia – per comprendere i teoremi di rinormalizzazione (simile all’ “esattezza” menzionata prima) e decifrare i differenti stati fondamentali o i vuoti delle teorie N=1 supersimmetriche (dove N indica il numero di supersimmetrie presenti). Ha scoperto la cosiddetta dualità di Seiberg, grazie alla quale una teoria fortemente accoppiata a basse energie è equivalente a una teoria debolmente accoppiata che può essere costruita da un insieme differente di particelle fondamentali. Il filo conduttore del suo lavoro è stato derivare i risultati in una teoria debolmente accoppiata, dove i calcoli sono più semplici, per poi utilizzarli in un caso fortemente non perturbativo usando la dualità o olomorfia.

Seiberg ha dato importanti contributi anche alla teoria delle stringhe e altre aree della fisica teorica.

In collaborazione con Edward Witten, dell’Institute for Advanced Study di Princeton e vincitore della Medaglia Dirac nel 1985, ha prodotto risultati fondamentali grazie ai quali abbiamo oggi a disposizione una comprensione completa delle teorie di gauge N=2 supersimmetriche in regime non-perturbativo. I lavori di Seiberg e Witten hanno determinato uno sviluppo enorme di ulteriori ricerche non solo in fisica teorica ma anche nel campo della matematica pura, dove le intuizioni dei due studiosi hanno fornito metodi di potenza straordinaria per provare teoremi importanti su argomenti come le varietà a quattro dimensioni.

La Medaglia Dirac dell’ICTP, assegnata per la prima volta nel 1985, viene conferita in onore di P.A.M. Dirac, uno dei più grandi fisici del XX secolo e affezionato amico del Centro. Viene assegnata ogni anno il giorno del compleanno di Dirac, 8 agosto, a scienziati che hanno apportato contributi rilevanti alla fisica teorica.