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Una mappa rivoluzionaria di tutte le forze nell’universo

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Ci sono alcuni modi per visualizzare le particelle nel modello standard della fisica delle particelle. Quello che mostra solo le particelle fondamentali in una tavola periodica potrebbe essere il più comune, tuttavia ignora le interconnessioni, che è uno dei motivi per cui il Modello Standard manca ancora di una visualizzazione ordinata.

Come poter ottenere una visualizzazione migliore ha lasciato perplessi gli scienziati per anni, e nel 2005, il fisico delle particelle Chris Quigg del Fermi National Accelerator Laboratory ha inventato la rappresentazione “doppio simplex” per aiutare le persone a familiarizzare con le particelle conosciute della natura.

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Nel 2020, Quanta Magazine ha adottato lo schema di Quigg e ha apportato ulteriori modifiche per ottenere quella che chiamano “una nuova mappa di tutte le particelle e le forze“.

Prima di immergerci nella rappresentazione del “doppio simplex”, tuttavia, diamo un’occhiata alla tavola periodica delle particelle del modello standard per avere una migliore comprensione della fisica delle particelle:

Scienziato crea una mappa rivoluzionaria di tutte le forze nell'universo
Fonte: Wikimedia Commons

In questo formato, le particelle di materia chiamate fermioni e i portatori di forza chiamati bosoni sono separati in due colonne principali. I fermioni sono ulteriormente divisi in due sottogruppi chiamati quark e leptoni, e i bosoni sono divisi in sottogruppi chiamati bosoni vettoriali e scalari. I fermioni sono anche divisi in tre colonne di generazione in base alle loro masse.

Gruppi di particelle spiegati

Dobbiamo esplorare cosa significa ciascuno di questi gruppi e come differiscono prima di parlare di come potrebbero essere organizzati in una tabella.

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Cominciamo con i fermioni. Una caratteristica importante dei fermioni è chiamata “spin”, e può essere sia sinistrorsa che destrorsa. La manualità è importante quando si raggruppano perché influenza il modo in cui determinate particelle interagiscono tra loro e perché, un po’ stranamente, non esiste un neutrino destrorso!

Il primo sottogruppo dei fermioni sono i quark. I quark di prima generazione chiamati quark up e down costituiscono i nuclei atomici e sono, come tutti i quark, carichi. Il quark up ha +2/3 e il quark down ha -1/3 della carica totale che possiede un protone. Questi quark possono essere mancini o destrorsi. Mentre i quark sinistrorsi superiore e inferiore possono trasformarsi l’uno nell’altro emettendo o assorbendo un bosone W, i quark destrorsi non si trasformano l’uno nell’altro!

I quark hanno anche una funzione chiamata “carica del colore“. Questo non ha nulla a che fare con il colore normale; è solo una misura di come interagiscono con la forza forte.

I quark di diversi colori si legano tra loro emettendo o assorbendo gluoni, le particelle portatrici della forza forte. Anche i gluoni hanno carica di colore, questo significa che i gluoni interagiscono con se stessi oltre che con i quark.

Il secondo gruppo di fermioni sono i leptoni. Ne esistono di due tipi: elettroni e neutrini. Proprio come i quark up e down levogiri, gli elettroni e i neutrini levogiri possono trasformarsi l’uno nell’altro tramite la forza debole.

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Come abbiamo detto prima, un neutrino destro è ancora da scoprire. Al contrario dei quark, i leptoni non hanno carica di colore, quindi non sentono la forza forte. Inoltre, proprio come nei bosoni, nessuno dei leptoni destrorsi si trasforma l’uno nell’altro tramite l’interazione carica debole.

Passiamo ora la nostra discussione ai bosoni, che sono i portatori di forza di tutte le forze conosciute (eccetto la gravità).

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Abbiamo già parlato di tutti i modi in cui possono verificarsi interazioni cariche forti e deboli. Quello che ci è mancato finora sono l’interazione elettromagnetica, l’interazione debole neutrale e il meccanismo di Higgs.

Forse la più familiare di tutte queste forze è la forza elettromagnetica, e la regola empirica è semplice: se una particella ha carica, percepisce la forza elettromagnetica. L’interazione è trasportata dal fotone e non provoca una trasformazione di particelle, ma solo una forza.

L’interazione debole neutra, trasportata dal bosone Z^0, contrariamente all’interazione debole carica, non provoca una trasformazione delle particelle; provoca solo un cambiamento di quantità di moto o di energia, in altre parole, esercita solo una forza.

Le interazioni deboli neutre ed elettromagnetiche si assomigliano molto, e questo non sorprende per il fatto che una volta erano una singola forza chiamata forza elettrodebole. La separazione di queste forze è avvenuta quando l’universo si è raffreddato, in sincrono con la comparsa di un campo chiamato campo di Higgs, le cui eccitazioni corrispondono al bosone di Higgs.

Si dice che questo campo dia massa alle particelle.

Una spiegazione semplificata di questo processo è la seguente: quando una particella (con massa) si muove nello spazio, interagisce costantemente con il campo di Higgs tramite il bosone di Higgs.

Queste interazioni corrispondono ai cambiamenti nella quantità di moto e nella manualità nella particella, facendo sentire la particella come se si stesse muovendo attraverso un mezzo pieno. Questi rallentano la particella e quella resistenza al movimento è ciò che viene percepito come massa.

Ora, l’ultimo pezzo del puzzle sono le generazioni di fermioni.

Abbiamo già parlato delle prime generazioni sia di quark che di leptoni. La seconda e la terza generazione sono solo le cugine più pesanti di quelle particelle. I quark charm e top sono cugini più pesanti del quark up e i quark strani e bottom sono i cugini più pesanti del quark down.

La stessa analogia è vera per muone e tau, e le loro controparti neutrini. Le particelle muoniche e tau sono cugine più pesanti degli elettroni, e i neutrini muonici e i neutrini tau sono le particelle che si ottengono quando un muone levogino o una tau si trasformano tramite l’interazione debole (carica).

Va notato che c’è una differenza tra leptoni e quark nel modo in cui si trasformano tramite l’interazione debole: i quark possono trasformarsi tra generazioni mentre i leptoni non sono stati osservati farlo.

La mappa delle particelle e delle forze di Chris Quigg

Ora, possiamo parlare della mappa ideata da Chris Quigg. La mappa è divisa in fermioni destrorsi e sinistrorsi, bosoni che portano le interazioni mostrate come linee, aree triangolari tra i diversi colori dei quark (queste aree rappresentano i gluoni e le interazioni gluoniche tra i gluoni), e il bosone di Higgs che si trova nella particelle medie che danno massa.

Scienziato crea una mappa rivoluzionaria di tutte le forze nell'universo
Ideato da Chris Quigg, visualizzato da Quanta Magazine

Le interazioni cariche deboli (bosone W) che trasformano i fermioni tra loro sono mostrate con linee rette arancioni. Notare che queste linee così come i neutrini non si vedono sul lato destro.

Le interazioni neutre deboli (bosone Z^0) sono mostrate con linee ondulate arancioni. Le interazioni elettromagnetiche (fotone) sono mostrate con linee ondulate bianche. Le interazioni di Higgs (bosone di Higgs) sono mostrate in linee tratteggiate gialle. E le interazioni forti (gluoni) sono mostrate nelle aree triangolari ombreggiate.

Mentre la classica tavola periodica delle particelle elementari offre una visualizzazione semplice e concisa, questa mappa delle particelle e delle forze ideata da Quigg mostra le intricate relazioni e interazioni tra le diverse particelle, nonché l’importanza della manualità in modo più dettagliato, rendendola un eccellente strumento di apprendimento visivo.

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