Il modello standard

Il Modello Standard della fisica è la teoria delle particelle, dei campi e delle forze fondamentali che li governano.

Ci racconta come le famiglie di particelle elementari si raggruppano per formare particelle composite più grandi, e come una particella può interagire con un’altra e come le particelle rispondono alle forze fondamentali della natura. Ha fatto previsioni di successo come l’esistenza del bosone di Higgs e funge da pietra angolare per la fisica teorica.

Un modo per pensare al Modello Standard è come un albero genealogico per le particelle. Ad esempio, il Modello Standard ci dice come gli atomi che compongono il nostro corpo siano fatti di protoni e neutroni, che a loro volta sono costituiti da particelle elementari dette quark.

Il modello standard è considerato dai fisici come una delle teorie scientifiche di maggior successo di tutti i tempi, ma d’altra parte, gli scienziati riconoscono che è ancora incompleto. La teoria della gravitazione universale di Isaac Newton, derivata dalle sue leggi del moto, ebbe nonostante un notevole successo ma non rappresentava l’intero quadro e richiese la teoria della relatività generale di Albert Einstein per colmare le lacune mancanti.

LA STORIA DEL MODELLO STANDARD

Il Modello Standard è stato elaborato negli anni ’60 e all’inizio degli anni ’70 dal lavoro di un gruppo di scienziati pionieri, ma in realtà le sue origini risalgono a quasi 100 anni prima. Entro il 1880, stava diventando evidente che esistono particelle cariche positivamente e negativamente prodotte quando i gas vengono ionizzati e che queste particelle devono essere più piccole degli atomi, che erano le strutture più piccole conosciute all’epoca. La prima particella subatomica ad essere identificata, nel 1897, nei raggi catodici, fu l’elettrone negativo.

Poi, nel 1911, Hans Geiger ed Ernest Madsen, sotto la supervisione del premio Nobel Ernest Rutherford dell’Università di Manchester, eseguirono il loro famoso esperimento “lamina d’oro”, in cui particelle alfa (nuclei di elio) sono state sparate su una sottile lamina d’oro. Alcune delle particelle alfa sono passate proprio attraverso gli atomi nella lamina, mentre altre sono state sparse a sinistra e a destra e una piccola frazione è rimbalzata indietro.

Rutherford ha interpretato questo fenomeno nel senso che gli atomi contengono molto spazio vuoto attraverso il quale possono passare le particelle alfa, ma che la loro carica positiva è concentrata in un nucleo al loro centro, e nelle occasioni in cui una particella alfa colpisce questo nucleo, questo si sparpaglia. Ulteriori sperimentazioni di Rutherford nel 1919-20 permisero di scoprire che una particella alfa sparata nell’aria potrebbe far cadere una particella carica positivamente fuori da un atomo di azoto nell’aria, trasformandola in carbonio nel processo. Quella particella è il protone, che dà al nucleo atomico la sua carica positiva. Il partner a carica neutra del protone, il neutrone, fu identificato nel 1932 da James Chadwick a Cambridge, scoperta che gli fruttò il Premio Nobel.

Quindi, il quadro della fisica delle particelle nei primi anni ’30 sembrava relativamente semplice: gli atomi erano costituiti da due tipi di “nucleoni”, sotto forma di protoni e neutroni, e gli elettroni orbitavano attorno ad essi.

Ma le cose stavano già iniziando rapidamente a complicarsi. L’esistenza del fotone era già nota, quindi tecnicamente si trattava di una quarta particella. Nel 1932 il fisico americano Carl Anderson scoprì il positrone, che è l’ equivalente di antimateria di un elettrone. Il muone fu identificato nel 1936 da Anderson e Seth Neddermeyer, e poi, nel 1947, fu scoperto il pione da Cecil Powell. Negli anni ’60, con l’avvento dei nuovi acceleratori di particelle, furono scoperte centinaia di particelle e il quadro scientifico cominciò a diventare davvero complesso. Gli scienziati avevano bisogno di un modo per organizzare e razionalizzare il tutto, e la loro risposta a questo è stata creare il Modello Standard, che è il coronamento del lavoro cumulativo della comunità dei fisici di quell’epoca.

GENERAZIONI DI PARTICELLE

Secondo il Modello Standard, esistono tre famiglie di particelle elementari. Quando diciamo “elementare”, gli scienziati intendono particelle che non possono essere scomposte in particelle ancora più piccole. Queste sono le particelle più piccole che insieme costituiscono ogni altra particella.

Le tre famiglie sono leptoni, quark e bosoni. Leptoni e quark sono conosciuti come Fermioni perché hanno uno spin semiintero. I bosoni, d’altra parte, hanno uno spin intero. Cosa significa questo?

Lo spin, nel contesto della fisica quantistica, si riferisce al momento angolare di spin. Questo è diverso dal momento angolare orbitale, che descrive la rotazione della Terra attorno al Sole, la rotazione della Terra attorno al suo asse di rotazione e persino la rotazione di una trottola. D’altra parte, il momento angolare di spin è una proprietà quantistica intrinseca a ciascuna particella, anche se quella particella è stazionaria. Le particelle con spin semi-intero hanno valori di spin semi-interi, quindi 1/2, 3/2, ecc. I bosoni hanno valori di spin interi, ad esempio 1, 2, 3 ecc.

I leptoni includono elettroni, muoni, particelle tau e i neutrini associati. I quark sono minuscole particelle che, una volta unite, formano particelle composite come protoni e neutroni. Le particelle fatte di quark sono chiamate adroni, con particelle composte formate da un numero dispari di quark, solitamente tre, chiamate barioni, e quelle composte da due quark chiamate mesoni. I bosoni sono vettori di forza: trasferiscono la forza elettromagnetica (fotoni), la forza debole (bosoni Z e W), la forza nucleare forte (gluoni) e la forza di Higgs (bosone di Higgs).

Ogni ‘famiglia’ consiste di sei particelle conosciute (tranne i bosoni, che spiegheremo più avanti) che si presentano in coppie chiamate ‘generazioni’. Le particelle più stabili e meno massicce della famiglia formano la prima generazione. A causa della loro stabilità, il che significa che non decadono rapidamente, tutta la materia stabile nell’universo è composta da particelle elementari di prima generazione. Ad esempio, i protoni sono formati da due quark “up” e un quark “down”, che sono i due quark più stabili.

Ci sono 17 particelle elementari conosciute: 6 leptoni, 6 quark, ma solo 5 bosoni. Manca un vettore di forza: il gravitone. Il modello standard prevede che la gravità dovrebbe avere un bosone portatore di forza, sotto le spoglie del gravitone. Le onde gravitazionali sono, in teoria, formate da gravitoni. Tuttavia, rilevare il gravitone non sarà un’impresa da poco. La gravità è la più debole delle quattro forze fondamentali. Si tratta di un fatto controintuitivo, dopotutto la gravità ci tiene attaccatio alla Terra, ma se consideri che ci vuole l’intera massa del pianeta per generare abbastanza gravità per mantenerci con i piedi per terra, potresti avere la sensazione che la gravità non sia forte come, diciamo, può essere il magnetismo, che può raccogliere una graffetta contro l’attrazione gravitazionale della Terra. Di conseguenza, i singoli gravitoni non interagiscono con la materia così facilmente: si dice che abbiano una bassa sezione trasversale di interazione. I gravitoni rimangono ipotetici per il momento.

OLTRE IL MODELLO STANDARD

Per quanto meraviglioso sia il Modello Standard, descrive solo una piccola frazione dell’universo. La sonda spaziale Planck dell’Agenzia spaziale europea ha confermato che tutto ciò che possiamo vedere nel cosmo — pianeti, stelle e galassie — rappresenta solo il 4,9% di tutta la massa e l’energia dell’universo. Il resto è materia oscura (26,8%) ed energia oscura (68,3%), la cui natura è completamente sconosciuta e che non sono assolutamente previste dal Modello Standard.

C’è altro di sconosciuto. Una grande domanda in fisica è se le particelle elementari siano davvero elementari o se ci sia una fisica nascosta alla loro base. Ad esempio, la teoria delle stringhe postula che le particelle elementari siano costituite da minuscole stringhe vibranti. Poi c’è la questione dell’antimateria: nel Big Bang avrebbero dovuto crearsi uguali quantità di materia e antimateria, ma questo significherebbe che non dovremmo essere affatto qui, perché tutta la materia e l’antimateria avrebbero dovuto annientarsi a vicenda. Oggi vediamo che l’universo contiene principalmente materia, con pochissima antimateria. Perché c’è questa asimmetria?

Poi c’è la domanda sul perché le particelle hanno le masse che hanno, e perché le forze hanno la forza che hanno, e perché le particelle sono scomposte nelle tre famiglie di leptoni, quark e bosoni. Che lo siano non è una risposta abbastanza valida per i fisici: vogliono capire perché e il Modello Standard non lo dice.

SUPERSIMMETRIA

Nel tentativo di aggiornare il modello standard per affrontare queste sfide, gli scienziati hanno introdotto l’idea di supersimmetria. Se fosse vera, allora la supersimmetria significherebbe che ogni particella nel Modello Standard ha un partner supersimmetrico con una massa molto maggiore e uno spin diverso della metà rispetto ai partner del Modello Standard. Ciò unificherebbe i fermioni con i bosoni, dal momento che i fermioni con spin intero avrebbero superpartner con spin a metà intero e i bosoni con spin a metà intero avrebbero superpartner con spin intero. Anche le particelle di supersimmetria meno massicce e più stabili non avrebbero carica elettrica e interagirebbero solo molto debolmente con la materia normale, il che suona molto simile alle proprietà della materia oscura.

Nel frattempo, alle energie più elevate analoghe a quelle che esistevano nel primo momento dopo il Big Bang, la supersimmetria prevede che la forza debole, la forza forte e la forza elettromagnetica debbano avere tutte la stessa forza, ed essenzialmente siano la stessa forza. Gli scienziati chiamano tale concetto una “Teoria della Grande Unificazione“.

Secondo il sito web del CERN, la supersimmetria potrebbe anche aiutare a spiegare la massa sorprendentemente piccola del bosone di Higgs, che è 125 GeV (125 miliardi di elettronvolt). Anche se questo valore è relativamente alto, non è così alto come previsto. L’esistenza di partner supersimmetrici estremamente massicci riequilibrerebbe le cose. E devono essere estremamente massicci, perché il Large Hadron Collider (LHC), né nessun altro acceleratore di particelle prima di esso, ha trovato finora alcuna prova dell’esistenza di partner supersimmetrici, portando alcuni scienziati a dubitare che la supersimmetria sia reale. Se esistono particelle supersimmetriche, devono essere più massicce di quanto l’LHC possa rilevare; ad esempio la massa del gluino, che è il partner supersimmetrico del gluone che media la forza forte che lega i quark insieme all’interno di protoni e neutroni, è stato escluso fino a 2 trilioni di eV.

Quindi la supersimmetria è in pericolo e i fisici stanno ora cercando una teoria sostitutiva che possa far progredire il Modello Standard e spiegare la massa del bosone di Higgs, così come la materia oscura, le Teorie della Grande Unificazione e tutto il resto. Non ci sono ancora candidati forti per sostituire la supersimmetria, e la supersimmetria potrebbe ancora vincere, ma per ora i fisici devono accontentarsi del mondo imperfetto del Modello Standard.