Cosa sono le particelle elementari?

Si dice spesso che gli antichi greci siano stati i primi a identificare oggetti che non hanno dimensioni, eppure sono in grado di costruire il mondo intorno a noi attraverso le loro interazioni. E poiché siamo in grado di osservare il mondo nei minimi dettagli attraverso microscopi di potenza crescente, è naturale chiedersi di cosa siano fatti questi oggetti.

Crediamo di aver trovato alcuni di questi oggetti: particelle subatomiche, o particelle elementari, che non avendo dimensione possono non avere sottostruttura. Ora stiamo cercando di spiegare le proprietà di queste particelle e stiamo lavorando per mostrare come queste possono essere usate per spiegare i contenuti dell’universo.

Esistono due tipi di particelle elementari: le particelle di materia, alcune delle quali si combinano per produrre il mondo che ci circonda, e le particelle di forza, una delle quali, il fotone, è responsabile della radiazione elettromagnetica. Questi sono classificati nel modello standard della fisica delle particelle, che teorizza come interagiscono gli elementi costitutivi di base della materia, governati da forze fondamentali. Le particelle di materia sono fermioni mentre le particelle di forza sono bosoni.

Particelle di materia: quark e leptoni

Le particelle di materia sono divise in due gruppi: quark e leptoni – ce ne sono sei, ciascuno con un partner corrispondente.

I leptoni sono divisi in tre coppie. Ogni coppia ha una particella elementare con una carica e una senza carica, una particella molto più leggera ed estremamente difficile da rilevare. La più leggera di queste coppie è l’elettrone e l’elettrone-neutrino.

L’elettrone carico è responsabile delle correnti elettriche. Il suo partner senza carica, noto come il neutrino elettronico, è prodotto in abbondanza nel sole e questi interagiscono così debolmente con l’ambiente circostante che passano senza ostacoli attraverso la Terra. Un milione di loro attraversa ogni centimetro quadrato del tuo corpo ogni secondo, giorno e notte.

I neutrini elettronici sono prodotti in numero inimmaginabile durante le esplosioni di supernova e sono queste particelle che disperdono gli elementi prodotti dalla combustione nucleare nell’universo. Questi elementi includono il carbonio di cui siamo fatti, l’ossigeno che respiriamo e quasi tutto il resto sulla terra. Pertanto, nonostante la riluttanza dei neutrini ad interagire con altre particelle elementari, sono vitali per la nostra esistenza. Le altre due coppie di neutrini (chiamate muone e muone neutrino, tau e tau neutrino) sembrano essere solo versioni più pesanti dell’elettrone.

Poiché la materia normale non contiene queste particelle, può sembrare che siano una complicazione non necessaria. Tuttavia, durante i primi da uno a dieci secondi dell’universo dopo il Big Bang, hanno avuto un ruolo cruciale da svolgere nello stabilire la struttura dell’universo in cui viviamo, noto come Lepton Epoch.

I sei quark sono anche divisi in tre coppie con nomi stravaganti: “up” con “down“, “charm” con “strange” e “top” con “bottom” (precedentemente chiamato “truth” e “beauty”). I quark up e down si uniscono per formare i protoni e i neutroni che si trovano nel cuore di ogni atomo. Anche in questo caso solo la coppia più leggera di quark si trova nella materia normale, le coppie charm/strange e top/bottom sembrano non avere alcun ruolo nell’universo così com’è ora, ma, come i leptoni più pesanti, hanno avuto un ruolo nei primi momenti dell’universo e ha contribuito a crearne uno che sia suscettibile alla nostra esistenza.

Particelle di forza

Ci sono sei particelle di forza nel modello standard, che creano le interazioni tra le particelle di materia. Si dividono in quattro forze fondamentali: gravitazionale, elettromagnetica, forte e debole.

Un fotone è una particella di luce ed è responsabile dei campi elettrici e magnetici, creati dallo scambio di fotoni da un oggetto carico all’altro.

Il gluone produce la forza responsabile di tenere insieme i quark per formare protoni e neutroni e di tenere insieme quei protoni e neutroni per formare nuclei più pesanti.

Tre particelle denominate “W plus“, “W minus” e “Z zero” – indicati come bosoni vettori intermedi – sono responsabili del processo di decadimento radioattivo e dei processi nel sole che lo fanno brillare. Si ritiene che una sesta particella di forza, il gravitone, sia responsabile della gravitazione, ma non è stata ancora osservata.

Antimateria: la realtà della fantascienza

Sappiamo anche dell’esistenza dell’antimateria. Questo è un concetto molto amato dagli scrittori di fantascienza, ma esiste davvero. Sono state osservate frequentemente particelle di antimateria. Ad esempio, il positrone (l’antiparticella dell’elettrone) viene utilizzato in medicina per mappare i nostri organi interni utilizzando la tomografia a emissione di positroni (PET). È noto che quando una particella incontra la sua antiparticella, entrambe si annichiliscono a vicenda e viene prodotta un’esplosione di energia. Uno scanner PET viene utilizzato per rilevare questo processo.

Ciascuna delle particelle di materia sopra ha una particella partner che ha la stessa massa, ma carica elettrica opposta, quindi possiamo raddoppiare il numero di particelle di materia (sei quark e sei leptoni) per arrivare a un numero finale di 24.

Diamo ai quark di materia un numero di +1 e ai quark di anti-materia un valore di -1. Se sommiamo il numero di quark materia più il numero di quark anti-materia, otteniamo il numero netto di quark nell’universo, questo non varia mai. Se abbiamo abbastanza energia possiamo creare qualsiasi quark di materia purché creiamo un quark di anti-materia allo stesso tempo. Nei primi istanti dell’universo queste particelle venivano create continuamente – ora vengono create solo nelle collisioni dei raggi cosmici con l’atmosfera dei pianeti e delle stelle.

Il famoso bosone di Higgs

C’è un’ultima particella che completa l’appello delle particelle in quello che viene definito il modello standard della fisica delle particelle finora descritto. È l’Higgs, predetto da Peter Higgs 50 anni fa, e la cui scoperta al CERN nel 2012 ha portato al premio Nobel per Higgs e Francois Englert.

Il bosone di Higgs è una particella strana: è la seconda più pesante delle particelle del modello standard e resiste a una semplice spiegazione. Si dice spesso che sia l’origine della massa, il che è vero, ma fuorviante. Dà massa ai quark e i quark costituiscono i protoni e i neutroni, ma solo il 2% della massa di protoni e neutroni è fornito dai quark e il resto è dall’energia nei gluoni.

A questo punto abbiamo tenuto conto di tutte le particelle richieste dal modello standard: sei particelle di forza, 24 particelle di materia e una particella di Higgs, per un totale di 31 particelle elementari. Nonostante quello che sappiamo su di loro, le loro proprietà non sono state misurate abbastanza bene da permetterci di dire in modo definitivo che queste particelle sono tutto ciò che serve per costruire l’universo che vediamo intorno a noi, e di certo non abbiamo tutte le risposte. La prossima corsa del Large Hadron Collider ci consentirà di perfezionare le nostre misurazioni di alcune di queste proprietà, ma c’è qualcos’altro.

Eppure la teoria è ancora sbagliata

La bella teoria, il modello standard, è stata testata e ritestata nel corso di due decenni e più; e non abbiamo ancora effettuato una misurazione che sia in contraddizione con le nostre previsioni. Ma sappiamo che il modello standard deve essere sbagliato. Quando mettiamo in collisione due particelle elementari insieme, sono possibili numerosi risultati. La teoria ci consente di calcolare la probabilità che si possa verificare qualsiasi risultato particolare, ma alle energie oltre le quali abbiamo raggiunto finora, prevede che alcuni di questi risultati si verifichino con una probabilità superiore al 100% – chiaramente una sciocchezza.

I fisici teorici hanno speso molti sforzi nel tentativo di costruire una teoria che dia risposte sensate a tutte le energie, fornendo la stessa risposta del modello standard in ogni circostanza in cui il modello standard è stato testato.

La modifica più comune implica che ci siano particelle non scoperte molto pesanti. Il fatto che siano pesanti significa che per produrli sarà necessaria molta energia. Le proprietà di queste particelle extra possono essere scelte per assicurarsi che la teoria risultante dia risposte sensate a tutte le energie, ma non hanno alcun effetto sulle misurazioni che concordano così bene con il modello standard.

Il numero di queste particelle sconosciute e non ancora viste dipende dalla teoria a cui scegli di credere. La classe più popolare di queste teorie è chiamata teorie supersimmetriche e implicano che tutte le particelle che abbiamo visto hanno una controparte molto più pesante. Tuttavia, se sono troppo pesanti, sorgeranno problemi per l’energia che possiamo produrre prima che queste particelle vengano trovate. Ma l’energia che verrà raggiunta nella prossima corsa dell’LHC è abbastanza alta che se porterà all’assenza di nuove particelle sarà un duro colpo per tutte le teorie supersimmetriche.