Il modello standard for dummies

Come ormai consuetudine, affianco all’articolo “serio” uno più semplice, in cui i concetti vengono resi più comprensibili tramite esempi.

Quando i fisici entrarono nel mondo microscopico, si trovarono di fronte enormi difficoltà. Intanto, le descrizioni classiche non andavano più bene.

Secondo, riuscivano a dare una descrizione del microscopico prettamente matematica, cosa che mise in difficoltà quasi tutti.

Richard Feynman, premio Nobel per la fisica, diceva:

“Credo di poter dire con sicurezza che nessuno… comprende la meccanica quantistica.”

Come abbiamo visto, la meccanica quantistica descrive la radiazione e la materia sia come fenomeno ondulatorio che come entità particellare, al contrario della meccanica classica, dove per esempio la luce è descritta solo come un’onda o l’elettrone solo come una particella.

Mano a mano che andavano avanti, i fisici iniziarono a chiedersi se questa o quella legge che regolava la fisica quantistica era forse “raggruppabile”. Il senso è che se devi avere X interazioni e X leggi che regolano le interazioni, vuol dire che ognuna di quelle è una forza a sé stante, senza interferenze con le altre.

Iniziò Maxwell, unificando elettricità e magnetismo. Poi ci si accorse che l’elettromagnetismo e la forza nucleare debole avevano cose in comune, e nacque la forza elettrodebole. In realtà la forza elettrodebole c’era già, ma gli scienziati trovarono i punti in comune. A quel punto qualcuno si chiese: “perché non integrare anche la forza nucleare forte e la gravità?”.

E in parte ci riuscirono, elaborando il modello standard, che descrivere sia la materia che le forze (interazioni) che agiscono nell’Universo, ad eccezione della gravità.

La bellezza di tale teoria risiede nella sua capacità di descrivere tutta la materia sulla base di poche particelle e interazioni fondamentali.

Le particelle elementari del modello standard sono di due tipi: leptoni e quark. Esistono sei tipi di leptoni: elettrone, muone e tauone, carichi e con massa crescente dall’elettrone al tauone. E poi ci sono i neutrini elettronici, muonici e tauonici , privi di carica e con una massa molto molto piccola. I quark, invece, formano gli adroni, come per esempio i protoni e i neutroni. Anche i quark sono sei: up e down, charm e strange, top e bottom. I quark sono particelle cariche, ma con una carica frazionaria rispetto a quella del protone, per esempio il quark up ha una carica di 2/3 e il quark down di -1/3.

Le particelle elementari interagiscono tra di loro ed è proprio da queste interazioni che si origina la materia. In natura, come ho detto più volte, esistono quattro interazioni fondamentali, dette anche forze: elettromagnetica, nucleare debole, nucleare forte e gravità.

Le prime tre forze sono, per così dire, “portate” o meglio “mediate” da altre particelle: i fotoni (elettromagnetica) e i gluoni (forza forte), privi di massa, e i bosoni massicci W e Z (forza debole).

Nell’ambito del modello standard, il bosone di Higgs riveste un ruolo fondamentale perché è la particella che è capace di generare la massa di tutte le altre. Cosa significa? Non è semplice da capire, ma proviamo a farci un’idea con gli esempi che i fisici delle particelle amano fare per spiegare questo meccanismo. Il bosone di Higgs genera un campo di forze che può essere immaginato come un mare di “melassa” presente ovunque, in cui le particelle si muovono incontrando una certa resistenza che si manifesta come massa. E’ come se la melassa si attaccasse alle particelle generando così la loro massa.

Oppure si può pensare ad un gruppo di persone intente a discutere in una sala. Ad un certo punto, Belen fa il suo ingresso nella sala, attirando immediatamente molti ammiratori, che si avvicinano a lei. L’entrata di Belen crea una perturbazione nella sala e lei fa sempre più fatica a muoversi per l’avvicinarsi dei suoi ammiratori. Questo aumenta la sua inerzia al moto, cioè Belen sembra acquistare massa come una particella che si muove nel campo di Higgs.

Analogamente, se un campo di forze è distorto localmente dal passaggio di una qualsiasi particella, l’aggregazione del campo intorno alla particella genera la sua stessa massa.

Peter Higgs e altri fisici nel 1964 avevano pubblicato tre articoli teorici in cui prevedevano l’esistenza di questo campo di forze e di un bosone capace di generare le masse delle altre particelle.

Ma tutto ciò, a che serve?

Intanto, serve a far progredire le nostre conoscenze per dipanare i misteri della natura della materia e dell’Universo. Ma, non solo.

Gli esperimenti sulle particelle subatomiche hanno permesso e permetteranno notevoli progressi tecnologici che hanno migliorato o miglioreranno la nostra vita.

Ne cito due: l’applicazione della superconduttività, una proprietà di particolari materiali utilizzati nella costruzione dell’acceleratore, ha avuto un grande successo in medicina nella risonanza magnetica per immagini.

Inoltre l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare ha elaborato la “Grid”.

Grid è una rete planetaria che utilizza contemporaneamente la potenza di calcolo e la memoria di decine di migliaia di differenti computer sparsi nel mondo. È il più moderno dei sistemi di calcolo distribuiti, ed è nata per facilitare la condivisione di risorse eterogenee geograficamente distribuite. La Grid è stata sviluppata dalla comunità dei fisici del CERN per immagazzinare e rendere accessibili i dati prodotti dall’acceleratore Lhc, pari a una mole di 15 milioni di Gigabyte ogni anno, ma viene usata da scienziati di tutto il mondo.

I gruppi di ricerca, infatti, sono sempre più impegnati in collaborazioni scientifiche internazionali e necessitano di operare in sinergia e condividere direttamente, in tempo reale, dati e risorse distribuite in una prospettiva di e-science. La Grid mette a disposizione degli scienziati le ingenti risorse informatiche necessarie per affrontare e cercare di risolvere problemi complessi come l’evoluzione dell’Universo dopo il Big Bang, la ricerca di possibili nuovi farmaci o l’impatto dei cambiamenti climatici sulla nostra vita.

Dimenticavo, il World Wide Web, è stato inventato proprio al CERN nel 1991 per scambiare dati tra fisici. Tutt’altro che noiosi, questi fisici!

 

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