Per capire il Modello Standard bisogna comprendere che la bellezza “tradizionale” della fisica teorica è racchiusa nelle sue equazioni. Se vogliamo descrivere qualcosa o il modo in cui qualcosa si comporta, possiamo scrivere una relazione tra alcune proprietà a cui pensiamo che obbedirà.
La semplicità e la simmetria di queste equazioni, per qualcuno che le comprende, è incredibilmente bella.
Data la massa di una palla, l’altezza, l’angolo e la forza con cui viene lanciata, la fisica ti dirà il percorso con cui la palla attraverserà l’aria, per quanto tempo rimarrà in aria, quanto lontano e con quanta forza colpirà il terreno.
La fisica può descrivere completamente questo sistema con poche semplici proprietà. Ma cosa succede se vuoi descrivere la palla stessa? Potremmo dire che è rossa, ma cosa significa veramente?
Per descrivere il colore devi considerare la luce riflessa dalla palla. Potresti dire che la palla è fatta di plastica, ma devi descrivere le molecole, quindi gli atomi di cui sono fatte, quindi le particelle subatomiche di cui sono fatte, e così via …
Ciò a cui la fisica teorica punta è una descrizione di tutto, tutto in un unico posto. L’obiettivo finale è una “Teoria de tutto” o una “Grande teoria unificata” ma, per quanto ne sappiamo finora, la gravità non si comporta in un modo che si adatta a tale teoria.
Per ogni cosa in tutto l’universo, a parte la gravità, abbiamo il “Modello standard di fisica delle particelle“, che descrive ogni particella che conosciamo e come queste particelle interagiscono insieme attraverso le forze altre forze fondamentali:
- Elettromagnetismo (responsabile di luce, elettricità, magneti).
- La forza nucleare forte (responsabile di tenere tutto insieme).
- La forza nucleare debole (responsabile della radioattività).
Per quanto riguarda gli elementi di base della materia, abbiamo due categorie nel modello standard: fermioni e bosoni.
Tutta la materia che costituisce il tuo corpo consiste di soli tre fermioni: due quark e un elettrone.
Esistono sei tipi di quark nel Modello standard, cui sono stati dati i nomi di “su”, “giù”, “strano”, “fascino”, “fondo” e “alto”, in ordine crescente di massa, ma di questi solo i due i più leggeri (su e giù) sono usati per produrre protoni e neutroni.
Metti alcuni protoni e neutroni insieme ad alcuni elettroni e ottieni gli atomi. Metti insieme alcuni atomi e hai la materia.
I bosoni aiutano altre particelle a “comunicare”, e questa comunicazione è ciò che chiamiamo forza.
Quando due elettroni si respingono, si scambiano i fotoni, le particelle responsabili della luce, e noi chiamiamo questo scambio forza elettromagnetica.
Poiché i fotoni sono privi di massa, possono viaggiare molto lontano dalla particella che li ha emessi.
Ci sono bosoni simili che le particelle usano per comunicare le altre forze – lo scambio di bosoni W e Z pesanti è ciò che chiamiamo forza debole (dato che W e Z sono “pesanti”, il raggio della forza debole è piccolo), e lo scambio di gluoni senza massa è ciò che chiamiamo forza forte.
Ancora confuso?
Non ti aiuterà sapere che i bosoni W hanno una carica elettrica, quindi comunicano anche con i fotoni. Ancora più strano, i gluoni hanno un’altra carica chiamata “colore”, il che significa che possono comunicare con sé stessi.
Quindi ora abbiamo tutto ciò di cui abbiamo bisogno per costruire la materia: alcuni fermioni e alcuni bosoni. Dobbiamo solo scrivere un’equazione che descriva tutto quanto scritto sopra in modo semplice e simmetrico.
Ed eccola qui:
Ha senso, vero?
Proprio come possiamo calcolare il percorso di una palla attraverso l’aria con alcune informazioni, i parametri alla base dell’equazione qui sopra assicurano che la dinamica delle particelle teoriche corrisponda a ciò che vediamo nel mondo reale.
Per i fisici teorici, l’equazione qui sopra è bella, elegante, compatta e mostra molte simmetrie che ci aspettiamo di vedere in natura.
Quindi cosa c’è che non va?
Non è che abbia molti termini: deve descrivere come ciascuna delle particelle interagisce con tutte le altre. È che ha bisogno di più informazioni.
C’è una citazione di un matematico sull’avere troppi parametri in un modello:
“Con quattro parametri posso montare un elefante e con cinque posso fargli muovere il baule“.
Il modello standard ha 19 parametri che adattiamo agli esperimenti: la maggior parte delle masse di fermioni e fattori che determinano il modo in cui determinati gruppi interagiscono.
Avere così tanti parametri toglie un po’ della bellezza del Modello Standard: una teoria completa non dovrebbe aver bisogno di ulteriori informazioni.
Un insieme di parametri che il Modello standard non richiede è la massa dei neutrini (fermioni) in quanto prevede che siano privi di massa.
A livello sperimentale, questo non è vero e, inoltre, il fatto che sia possibile cambiare il tipo di neutrino (cosa che è stato loro dimostrato possibile) non sarebbe possibile se fossero privi di massa.
Anche i neutrini hanno altre proprietà e uno di questi è il modo in cui si comportano, che noi definiamo “mancini”.
Sperimentalmente, i bosoni W interagiscono solo con neutrini mancini, mentre il Modello standard prevede che questa interazione dovrebbe essere simmetrica – in altre parole, i poveri neutrini destrimani non dovrebbero mancare.
Ci sono anche alcune caratteristiche che i fisici considerano mancanti dal Modello Standard (a parte la gravità). Il più importante di queste è non vengono considerate le particelle di materia oscura.
Tali carenze portano alcune persone a definire il Modello standard come una “teoria del quasi tutto“.
Quindi qual è la prossima opzione?
La fisica “Beyond the Standard Model” copre opzioni come la supersimmetria – in cui ci sono copie di tutte le particelle ma in cui si scambiano fermioni e bosoni – e la teoria delle stringhe – un tentativo di conciliare la meccanica quantistica e la relatività generale.
Queste ipotesi vorrebbero, in qualche modo, correggere alcuni problemi che il Modello standard deve affrontare, ma, al momento, tendono a introdurre ulteriori incoerenze.
Per ora, probabilmente è meglio confidare nel fatto che la natura abbia un modo straordinario di tenere traccia di ciò che accade alle scale più piccole, ed essere felici che sia facile capire come si comportano gli oggetti più grandi, come le palle rosse.