Il modello standard

Il Modello standard è una teoria fisica che riassume tutte le attuali conoscenze nel campo delle particelle elementari e delle forze che ne regolano le interazioni fondamentali. Tutte le interazioni osservate in natura possono spiegarsi mediante lo studio del comportamento di un certo numero di particelle elementari. Poiché la materia è composta dalle stesse particelle elementari, la base dello studio delle interazioni consiste nell’analisi delle leggi che regolano l’azione mutua tra le particelle elementari; tale analisi si semplifica considerando che tutte le forze conosciute si possono ridurre a quattro tipi fondamentali i quali dovrebbero spiegare tutte le forze che si esercitano tra le diverse parti dell’Universo.

Sino al sec. XIX si conoscevano solo due di queste interazioni, quella elettromagnetica e quella gravitazionale. Alla velocità di propagazione di queste interazioni, supposta infinita dalla fisica newtoniana, fu assegnato dalla teoria della relatività di Einstein un valore uguale a quello della velocità della luce nel vuoto.

Per quanto riguardava il modo di propagazione, già nel sec. XIX la teoria classica dei campi assumeva che le forze si propagassero attraverso campi specifici, la cui struttura poteva spiegare tutti i fenomeni naturali. Nel sec. XX la meccanica quantistica e il principio di dualità onda-corpuscolo permettevano di spiegare tali campi in termini di interazioni di particelle (i bosoni) il cui scambio tra i corpi produce la propagazione dell’interazione.

Storicamente il secondo tipo di interazione studiata fu l’interazione elettromagnetica. Il suo nome deriva dal fatto che elettricità e magnetismo sono due diversi aspetti dello stesso fenomeno, peraltro più complesso della gravitazione, non solo per l’esistenza di due tipi di cariche elettriche, ma anche per la dipendenza di queste interazioni dalla velocità delle particelle cariche che ne sono responsabili.

Successivamente la scoperta del neutrone implicò la considerazione delle interazioni forti aventi caratteristiche assai diverse da quelle delle interazioni gravitazionali ed elettromagnetiche. Le interazioni forti infatti sono indipendenti dalla carica elettrica e sono le forze responsabili dell’esistenza stessa dei nuclei, che in assenza di tali forze tenderebbero a frantumarsi a causa della repulsione coulombiana tra i protoni contenuti nel limitato volume nucleare. Il decadimento del neutrone e l’ipotesi del neutrino indussero, infine, Fermi a introdurre un quarto tipo di interazione: le interazioni deboli, di intensità inferiore a quelle forti, ma sensibilmente superiore a quella delle interazioni gravitazionali ed elettromagnetiche.

Tali interazioni governano il decadimento di molte particelle che interagiscono fortemente e sono responsabili del decadimento di certi nuclei radioattivi. L’agente responsabile delle interazioni de boli è rimasto sconosciuto fino agli inizi degli anni Ottanta; fino a che nel 1983 il fisico italiano C. Rubbia con un gruppo di ricercatori del CERN di Ginevra scoprì le particelle attraverso le quali interagiscono le interazioni deboli, individuandole nei bosoni W e Zo.

È proprio cercando di mettere in ordine le nuove scoperte, che i fisici nucleari iniziarono a costruire il Modello standard, con l’intento di riuscire a spiegare tutte le interazioni con un unico modello. Sotto questo profilo però il Modello standard presenta dei limiti che ostacolano il raggiungimento dello scopo ultimo della fisica moderna. In primo luogo, pur avendo riunificato la forza elettromagnetica e quella nucleare debole (forza elettrodebole), il Modello standard:

  • non include la forza di gravità, che è l’interazione di più debole intensità;
  • non spiega lo spettro delle masse delle particelle;
  • in esso compaiono diversi parametri arbitrari;
  • non riunisce in un’unica teoria l’interazione nucleare forte e la forza elettrodebole, che la teoria della grande unificazione spiega con l’ipotesi che queste due forze a temperature elevate si equivalgono;
  • per costruire il modello è necessario introdurre i bosoni di Higgs che gli odierni acceleratori di particelle non sono ancora in grado di produrre.

Innanzitutto, bisogna spiegare una legge, chiamata il principio di esclusione di Pauli, secondo cui non possono esistere nello stesso posto nello stesso tempo due particelle nello stesso stato (identico spin, identica carica di colore, identico momento angolare, etc.).

I fisici adoperano questa legge per dividere le particelle in due grandi classi:

  • le particelle soggette all’esclusione di Pauli — i fermioni;
  • le particelle non soggette all’esclusione di Pauli — i bosoni.

Un fermione è qualunque particella il cui momento angolare intrinseco (spin) ha un valore multiplo dispari di 1/2 (1/2, 3/2,…), misurato in unità h (h-tagliato). Come conseguenza del loro momento angolare, tutti i fermioni obbediscono al principio di esclusione di Pauli.

Le particelle materiali fondamentali (quark e leptoni), come anche la maggior parte delle particelle composte (come protoni e neutroni) sono fermioni. Perciò, secondo il principio di esclusione di Pauli, queste particelle non possono coesistere nello stesso luogo. E questa, per la materia in condizioni ordinarie, è una proprietà importantissima!

I bosoni sono le particelle il cui spin ha misura intera ( 0, 1, 2…) misurato in unità h . Sono bosoni:

  • Le particelle mediatrici di tutte le interazioni fondamentali;
  • Le particelle composte da un numero pari di fermioni, come ad esempio i mesoni.

Il nucleo di un atomo può essere un bosone oppure un fermione: dipende dal numero dei suoi pro- toni e neutroni (se è pari sarà un bosone, se è dispari un fermione). Questa proprietà spiega lo strano comportamento dell’elio, che, a bassissime temperature, è un superfluido, per cui, tra le altre cose, non ha viscosità: i suoi nuclei sono bosoni e possono passare uno attraverso l’altro.

Un leptone (dal greco lepton, luce) è una particella subatomica che non è composta da quark. I leptoni sono gli elettroni, i muoni, le particelle tau, e i loro rispettivi neutrini.

Tutti i leptoni conosciuti hanno carica negativa o neutra. Ci sono sei tipi di leptoni: tre con carica negativa e tre con carica neutra.

Delle tre particelle che costituiscono gli atomi, l’elettrone è di gran lunga il più leggero ed il più piccolo, ed il suo raggio è così piccolo che non si è ancora riusciti a misurarlo; per questo diciamo che è puntiforme. Sappiamo anche che è privo di struttura interna, a differenza del neutrone e del protone, cioè è una particella elementare in quanto non composta da altre più piccole, come per gli adroni.

Nell’uso comune, l’elettrone viene abbreviato con il simbolo e. La sua carica elettrica è negativa.

Si identifica come carica elementare e la carica dell’elettrone, e la carica di tutte le altre particelle viene riferita a questa. Esiste una fondamentale legge della fisica: la carica elettrica di una particella è sempre un multiplo intero, segno a parte, della carica elementare.

L’elettrone, essendo un leptone, risente delle interazioni deboli ed elettromagnetiche, ma non delle interazioni forti.

Il neutrino è una particella elementare. Ha spin 1/2 e quindi è un fermione. La sua massa è molto piccola, an- che se recenti esperimenti hanno mostrato che è diversa da zero (da 100.000 a 1 milione di volte inferiore a quella dell’elettrone). Poiché i neutrini non hanno carica elettrica ne carica di colore, interagiscono solo attraverso la forza nucleare debole e non sentono l’interazione nucleare forte e la forza elettromagnetica (in quanto possiedono una massa, sono sensibili anche alla gravità, ma avendo una massa piccolissima ed essendo la gravità la forza più debole, questa interazione è trascurabile). Poiché il neutrino interagisce debolmente, quando si muove attraverso la materia le sue possibilità di interazione sono molto piccole. Occorrerebbe un anno luce di piombo per bloccare la metà dei neutrini che lo attraversano. I rilevatori di neutrini tipicamente contengono centinaia di tonnellate di materiale, costruito in modo tale che pochi atomi al giorno interagiscano con i neutrini entranti. Nelle supernovae collassanti, la densità del nucleo diventa abbastanza alta (1014 g/cm3) da permettere la rilevazione dei neutrini prodotti.

Esistono tre tipi differenti di neutrino: il neutrino elettronico, il neutrino muonico e il neutrino tau, corrispondenti ai rispettivi leptoni del modello standard (elettrone, muone e tauone). L’esistenza del neutrino venne postulata da Wolfgang Pauli per spiegare lo spettro continuo del decadimento beta.

Flussi massicci di neutrini possono oscillare tra i tre sapori, in un fenomeno conosciuto come oscillazione dei neutrini (che fornisce una soluzione al problema dei neutrini solari e a quello dei neutrini atmosferici).

Alcuni anni fa si pensava che i neutrini potessero essere ritenuti responsabili per la materia oscura, ma con l’attuale conoscenza della loro massa possono contribuire solo per una frazione insignificante.

In base al modello standard delle particelle fisiche, muone (conosciuto anche come mesone mu) è il nome collettivo di due particelle fondamentali semistabili, una con carica positiva e una con carica negativa. I muoni hanno una massa 207 volte superiore a quella dell’elettrone (105.6 MeV) e uno spin di 1/2. Sia gli elettroni che i muoni appartengono alla famiglia dei fermioni detta leptoni. Per questo motivo, un muone con carica negativa può essere pensato come un elettrone estremamente pesante.

Sulla Terra, i muoni sono creati dal decadimento di pioni carichi. I pioni vengono creati nell’atmosfera esterna dalla radiazione cosmica e hanno un tempo di decadimento molto breve, pochi nanosecondi. Anche i muoni hanno vita breve, il loro tempo di decadimento è di 2,2 microsecondi. Comunque, i muoni hanno alta energia, quindi gli effetti di dilazione del tempo della relatività speciale li rendono facilmente rilevabili sulla superficie terrestre.

La particella Tau (o tauone) è una particella elementare con carica negativa e una massa di 1.777MeV. È associata con un’antiparticella e un neutrino. È una particella della materia di terza generazione, e decade rapidamente in una particella stabile. A causa della conservazione del numero tauonico, detta anche conservazione del numero leptonico (l’oscillazione dei neutrini viola questa legge), un neutrino tau viene creato quando un tauone decade in un leptone più leggero (muone o elettrone). Fatta eccezione per la sua massa più grande e per la sua instabilità il tauone è molto simile all’elettrone.

Nella fisica delle particelle i quark sono una delle due famiglie di particelle subatomiche, che si ritiene siano fondamentali e indivisibili (l’altra è quella dei leptoni). Gli oggetti composti da quark sono conosciuti come adroni; esempi ben noti sono i protoni e i neutroni. Si ritiene che i quark non esistano da soli ma solo in gruppi di due o tre (e, più recentemente, cinque); tutte le ricerche di quark singoli, fin dal 1977 hanno avuto esito negativo. I quark si differenziano dai leptoni, l’altra famiglia di particelle elementari, per la carica elettrica. I leptoni (come l’elettrone o i muoni) hanno carica intera (+1, 0 o -1) mentre i quark hanno carica +2/3 o -1/3 (gli antiquark hanno invece carica -2/3 o +1/3).

Tutti i quark hanno spin 1/2h . Sei differenti tipi di quark sono conosciuti; è in corso la ricerca per i quark di quarta generazione. A causa della estrema intensità della forza nucleare forte, i quark non si trovano mai liberi. Sono sempre legati in barioni e mesoni. Quando si cerca di separare i quark, come avviene negli acceleratori di particelle, la forza nucleare forte aumenta con l’aumentare della distanza tra i quark. A un certo punto diventa più favorevole, dal punto di vista energetico, creare altri due quark per cancellare la forza crescente, e due nuovi quark (un quark e un antiquark) spuntano dal nulla. Questo processo viene detto adronizzazione o fragmentazione, ed è uno dei processi meno compresi della fisica delle particelle. Come risultato della fragmentazione, quando i quark vengono prodotti negli acceleratori, invece di vedere l’individuale quark nei rilevatori, gli scienziati vedono “getti” di molte particelle color-neutre (mesoni e barioni) impacchettate assieme.

La teoria dietro i quark venne avanzata per la prima volta dai fisici Murray Gell-Mann e George Zweig, che trovarono di poter spiegare le proprietà di molte particelle considerandole composte da questi quark elementari. Il nome quark deriva da “three quarks for Muster Mark”, una frase senza senso contenuta nel romanzo Finnegans Wake di James Joyce.

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