Campi e Stringhe

Nonostante il suo straordinario successo, il Modello Standard presenta diverse difficoltà teoriche e fenomenologiche che fanno pensare che esso sia una teoria incompleta, e che, ad energie più alte, esso debba essere rimpiazzato da una teoria fisica nuova. Dal punto di vista teorico uno degli aspetti più insoddisfacenti del Modello Standard è il fatto che esso non include la gravità, un'interazione che certamente ha grande importanza per l'evoluzione dell'universo. La Teoria delle Stringhe è al momento la sola teoria fisica conosciuta che è in grado di descrivere l'interazione gravitazionale, insieme alle altre interazioni fondamentali, in un quadro consistente e compatibile con la meccanica quantistica relativistica. Uno dei risultati più incoraggianti della teoria delle stringhe fino ad oggi è stato in effetti quello di aver ottenuto, per la prima volta dopo decenni di sforzi, una descrizione precisa delle proprietà quantistiche microscopiche dei buchi neri. L'idea fondamentale della teoria delle stringhe è che gli oggetti fisici elementari non sono, come nella teoria dei campi, puntiformi, bensì siano oggetti spazialmente estesi: le stringhe appunto. In tempi più recenti si è scoperto che la dinamica delle teorie delle stringhe include necessariamente anche oggetti di dimensione più alta, come membrane e generalizzazioni di queste chiamate D-brane. La scoperta delle D-brane ha permesso di ottenere risultati esatti sulla dinamica delle teorie di campo supersimmetriche che vivono sulle D-brane. In questo modo la teoria di stringhe, benché sviluppata originariamente come teoria della gravità quantistica, ha anche portato alla scoperta di potenti nuovi metodi matematici per studiare il regime non-perturbativo delle teorie di campo usuali. (Cfr. la sezione "Teoria statistica dei campi").

La teoria delle stringhe suggerisce che, la trattazione quantistica dell'interazione gravitazionale, richiede che alcune delle nozioni fondamentali della teoria dei campi debbano essere generalizzate: non sono tuttavia ancora chiari quali siano i principi fisici di questa generalizzazione. In questo dipartimento si studiano diverse teorie quantistiche "esotiche'' come le teorie di campo e di stringa topologiche, o le teorie di gauge di particelle di spin alto: questi modelli possono essere considerati come laboratori teorici in cui sviluppare, in un contesto semplificato, nuovi metodi matematici per lo studio delle proprietà non-perturbative delle teorie di campo e di stringa e in cui approfondire alcune delle questioni concettuali che emergono dalle teoria delle stringhe.

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