Rubrica scientifica: alla scoperta del modello standard della fisica moderna

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Quando ogni ente che esiste nell'universo, o per lo meno di quelli che sono stati osservati fino ad ora, è riconducibile sempre alle stesse componenti chiamate particelle fondamentali e governate da 4 forze fondamentali, è chiaro che serve un modello standard (MS) che unisca la totalità di questa conoscenza e riesca a descriverla in modo coerente.

Il modello standard è una teoria quantistica (ovvero delle particelle microscopiche) sviluppata nel 1970 e spiega una grande varietà di fenomeni che accadono nell'universo: si basa sull'esistenza di campi e particelle che sono quanti di quei campi stessi. Dopo tutti questi anni, grazie ad una lunga serie di esperimenti, questo modello è considerato una teoria fisica stabile e ampiamente testata. Chiaramente non spiega l'universo nella sua totalità, altrimenti non ci sarebbe più bisogno di affrontare alcun esperimento in ambito fisico.

Tutta la materia che ci circonda è composta da particelle elementari, come se tutti noi fossimo composti da miliardi di minuscoli blocchi di lego elementari non scomponibili in altri blocchetti. I due tipi di queste particelle sono Quark e Leptoni: gli atomi sono composti, come noto, da protoni e neutroni nel nucleo ed elettroni che orbitano attorno ad esso (nella teoria orbitale, rozza ma funzionale); gli elettroni sono leptoni carichi leggeri, mentre neutroni e protoni sono composti ciascuno da tre quark.

Leptoni e Quark vengono generalmente chiamati Fermioni e si dividono a loro volta in sei particelle, legate tra di loro in coppia o in generazioni. Le particelle più leggere e stabili fanno parte della prima generazione, mentre le più pesanti e meno stabili appartengono alla seconda e terza generazione. Quindi esistono 3 generazioni di Leptoni (elettroni, muoni e tau ognuna delle quali ha un corrispondente neutrino, ovvero neutrino elettronico, neutrino muonico e neutrino tauonico) e 3 generazioni di Quark (up e down, charm e strange, top e bottom). Se avete un po' di confusione in testa è perché questi concetti hanno bisogno di un certo rigore logico per essere assimilati: la tabella in basso può aiutarvi a costruire il giusto schema mentale per capire l'argomento.

Il modello standard include anche la così detta antimateria, la materia delle antiparticelle, che corrispondono in massa alle particelle ma sono il loro specchio in alcune loro caratteristiche. L'antiparticella dell'elettrone, ad esempio, è il positrone, avente stessa massa ma carica elettrica positiva piuttosto che negativa.

Tutta la materia stabile fa parte della prima generazione, quindi elettroni e neutrini elettronici, quark down e quark up. Qualsiasi altra particella è instabile e decade rapidamente verso il livello più stabile, esattamente quello che succede quando cercate di avvicinare due calamite dal lato della stessa polarità che si respingono per arrivare ad una situazione più stabile in cui sono abbastanza lontane da non respingersi. I Quark posseggono una carica di colore che descrive l'interazione nucleare forte che spiegheremo a breve. I Leptoni invece non hanno carica di colore ed elettroni, muoni e tau hanno tutti una carica elettrica ed una massa consistente, mentre le loro controparti neutrini sono neutri ed hanno massa piccola.

Le forze fondamentali che descrivono l'universo sono quattro: le interazioni forti (forza nucleare forte), l'interazione debole (forza nucleare debole), la forza elettromagnetica e la forza gravitazionale. Qualcuno potrebbe opporsi in questo istante ed obiettare che deve esserci anche un altro tipo di forza che ci impedisce di sprofondare nel pavimento, attratti verso il centro della terra: in realtà questa forza che esercita il suolo è sempre di tipo elettromagnetico e consiste nella repulsione degli elettroni più esterni del pavimento con quelli più esterni dell'oggetto in questione (in questo caso i nostri piedi). Ad ogni modo, queste quattro forze sono molto diverse tra loro in termini di raggio d'azione e d'intensità.

La forza gravitazionale è tipica di ogni oggetto avente una massa ed è percepibile solo se questa massa è considerevole (ad esempio la terra ha abbastanza massa da tenerci saldi sulla sua superficie, ma nessun uomo ha abbastanza massa da attirare a sé un altro uomo), poiché è l'interazione meno forte di tutte le quattro ma agisce a distanza teoricamente infinita.

La forza elettromagnetica ha anch'essa una raggio d'azione infinito, ma è decisamente più intensa di quella gravitazionale (pensate alle scosse elettriche, più minacciose della gravità terrestre). Al di là di fenomeni elettrici occasionali non avvertiamo la forza elettromagnetica perché mediamente l'universo è neutro: questo fa sì che venga avvertita solo la forza gravitazionale nonostante sia la più debole.

Le interazioni forte e debole (ovvero le forza nucleari) sono efficaci solo a distanza cortissima, ovvero a livello subatomico, ma sono decisamente le più intense (parliamo delle forze responsabili della bomba atomica, per darvi un'idea): di queste due, l'interazione debole è meno intensa di quella forte come lascia suggerire il nome.

Tre delle forze fondamentali sono il risultato dello scambio di particelle portatrici di questa forza chiamate Bosoni di Gauge. La materia si scambia energia proprio tramite la cessione o l'acquisto di bosoni, di cui ne esiste uno per ogni tipo di forza: Gluoni per l'interazione forte, Fotoni per la forza elettromagnetica e Bosone W e Bosone Z per l'interazione debole. Anche se non è stato trovato, si pensa che esista un Gravitone, ovvero il bosone corrispondente alla forza gravitazionale.

Fino ad ora dovrebbe essere chiaro che quando queste forze agiscono vuol dire che c'è uno spostamento del relativo bosone tra i due sistemi che stanno interagendo fra di loro. Inoltre è anche evidente che esistono dei buchi in questo modello standard come l'assenza dei gravitoni, che ancora non sono stati osservati in nessun esperimento. In generale tutta la teoria quantistica (che descrive il mondo microscopico degli atomi) e la teoria della relatività generale (che invece abbraccia l'aspetto macroscopico dell'universo) non sono ancora state collegate tra di loro a livello matematico ed il mondo scientifico sta facendo di questo problema una sfida per il futuro.

Sorge spontanea una domanda: come è possibile che due teorie non riesco a ricollegarsi l'una con l'altra? Il punto è che gli scienziati usano la fisica quantistica quando fanno esperimenti sulle particelle, e la teoria della relatività generale in contesti astronomici: a livello di particelle (MS) la forza gravitazionale è talmente piccola da non dover essere considerata e per calcolare la massa di una stella nell'universo non è certo necessario considerare l'interazione dei Quark e dei Leptoni. Di fatto questi due mondi, così distanti fra loro, funzionano ognuno nel loro campo di applicazione.

Il modello standard è dunque un'ottima teoria, ma non descrive tutto quello che conosciamo. Basta pensare alla materia oscura, che ha un effetto gravitazionale capace di deviare le onde elettromagnetiche che viaggiano nello spazio, ma di fatto non è mai stata rilevata: il modello standard non include la materia oscura nelle sue equazioni. Per non parlare della questione sull'asimmetria tra materia ed antimateria: se al momento del Big Bang queste erano presenti in uguali quantità, e la vicinanza fra le due attiva il processo di annichilazione, perché ad oggi l'universo osservabile è costituito quasi esclusivamente da materia e non da antimateria?

Anche il Bosone di Higgs scoperto negli esperimenti di Atlas e CMS (LHC) presso il CERN nel 2012 è un mistero da svelare: la particella è davvero il Bosone teorizzato da Higgs che conferisce massa alle particelle elementari o è qualcosa di diverso?

Speriamo che questa "breve" spiegazione possa aiutare i lettori a capire qualcosa di più del mondo della fisica delle particelle, visto che ogni giorno arrivano i risultati di esperimenti scientifici da tutto il mondo proprio per mettere alla prova il modello standard, rafforzandone le basi o mettendole in discussione.

Per chi si fosse perso la precedente rubrica scientifica sulle onde elettromagnetiche può trovarla a questo link.

FONTE: cern
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