Il modello standard. Che nome noioso per la teoria scientifica più accurata conosciuta dagli esseri umani.
Più di un quarto dei premi Nobel per la fisica del secolo scorso sono input diretti o risultati diretti del Modello Standard.
Molti ricordano l’entusiasmo tra scienziati e media per la scoperta nel 2012 del bosone di Higgs. Ma quell’evento tanto clamoroso non è venuto dal nulla: ha coronato una serie di cinque decenni di imbattibilità per il modello standard. In essa è inclusa ogni forza fondamentale tranne la gravità. Ogni tentativo di ribaltarlo per dimostrare in laboratorio che deve essere sostanzialmente rielaborato – e ce ne sono stati molti negli ultimi 50 anni – è fallito.
In breve, il Modello Standard risponde a questa domanda: di cosa è fatto tutto e come si tiene insieme?
Gli elementi costitutivi più piccoli
Sai, ovviamente, che il mondo intorno a noi è fatto di molecole e le molecole sono fatte di atomi. Il chimico Dmitri Mendeleev scoprì negli anni ’60 dell’Ottocento come organizzare tutti gli atomi, cioè gli elementi, nella tavola periodica che probabilmente hai studiato alle medie. Ma ci sono 118 diversi elementi chimici. C’è antimonio, arsenico, alluminio, selenio… e altri 114.
Ai fisici piacciono le cose semplici. Vogliono ridurre le cose alla loro essenza, alcuni elementi costitutivi di base. Gli antichi credevano che tutto fosse composto da soli cinque elementi: terra, acqua, fuoco, aria ed etere. Cinque è molto più semplice di 118. È anche sbagliato.
Nel 1932, gli scienziati sapevano che tutti quegli atomi sono fatti di sole tre particelle: neutroni, protoni ed elettroni. I neutroni e i protoni sono legati insieme strettamente nel nucleo. Gli elettroni, migliaia di volte più leggeri, girano attorno al nucleo a velocità prossime a quella della luce. I fisici Planck, Bohr, Schroedinger, Heisenberg e amici avevano inventato una nuova scienza – la meccanica quantistica – per spiegare questo movimento.
Sarebbe stato un posto soddisfacente dove fermarsi. Solo tre particelle. Tre è anche più semplice di cinque. Ma tenuti insieme come? Gli elettroni caricati negativamente e i protoni caricati positivamente sono legati insieme dall’elettromagnetismo. Ma i protoni sono tutti rannicchiati nel nucleo e le loro cariche positive dovrebbero allontanarli con forza. I neutroni che sono neutri non possono aiutare.
Cosa lega insieme questi protoni e neutroni?
Ampliare lo zoo delle particelle
Nel frattempo, la natura ha rifiutato crudelmente di mantenere il suo zoo di particelle a sole tre. Veramente quattro, perché dovremmo contare il fotone, la particella di luce che Einstein descrisse. Quattro sono diventati cinque quando Anderson ha misurato gli elettroni con carica positiva – positroni – che colpivano la Terra dallo spazio. Almeno Dirac aveva previsto queste prime particelle di antimateria. Cinque divennero sei quando fu trovato il pione, che secondo Yukawa avrebbe tenuto insieme il nucleo.
Poi venne il muone – 200 volte più pesante dell’elettrone, ma per il resto un gemello. “Chi l’ha ordinato?” II Rabi ha esclamato scherzando. Numero sette. Non solo non semplice, ridondante.
Negli anni ’60 c’erano centinaia di particelle “fondamentali”. Al posto della tavola periodica ben organizzata, c’erano solo lunghe liste di barioni (particelle pesanti come protoni e neutroni), mesoni (come i pioni di Yukawa) e leptoni (particelle di luce come l’elettrone e gli elusivi neutrini) – con nessuna organizzazione e nessun principio guida.
In questa violazione si è insinuato il Modello Standard. Non è stato un lampo di brillantezza durante la notte. Nessun Archimede è saltato fuori da una vasca da bagno gridando “eureka”. Invece, a metà degli anni ’60, ci furono una serie di intuizioni cruciali da parte di alcuni individui chiave che trasformarono questo pantano in una semplice teoria, e poi cinque decenni di verifica sperimentale ed elaborazione teorica.
I Quark. Sono disponibili in sei varietà che chiamiamo aromi. Come il gelato, tranne che non così gustoso. Invece di vaniglia, cioccolato e così via, abbiamo “up”, “down”, “strange”, “charm”, “bottom” e “top”. Nel 1964 Gell-Mann e Zweig ci hanno insegnato le ricette: mescola e abbina tre quark qualsiasi per ottenere un barione. I protoni sono due quark up e un down legati insieme; i neutroni sono due downs e un up. Scegli un quark e un antiquark per ottenere un mesone. Un pione è un quark up o down legato a un anti-up o un anti-down. Tutto il materiale della nostra vita quotidiana è fatto solo di quark up e down, anti-quark ed elettroni.
Semplice. Beh, semplice, perché tenere legati quei quark è un’impresa. Sono legati l’uno all’altro così strettamente che non trovi mai un quark o un anti-quark da solo. La teoria di quel legame, e delle particelle chiamate gluoni che ne sono responsabili, è chiamata cromodinamica quantistica. È un pezzo vitale del Modello Standard, ma matematicamente difficile, e pone anche un problema irrisolto di matematica di base.
L’altro aspetto del modello standard è “Un modello di leptoni“. Questo è il nome dell’importante articolo del 1967 di Steven Weinberg che ha unito la meccanica quantistica con le conoscenze vitali su come le particelle interagiscono e le ha organizzate in un’unica teoria. Incorporava l’elettromagnetismo familiare, lo univa a quella che i fisici chiamavano “la forza debole” che causa certi decadimenti radioattivi e spiegava che erano aspetti diversi della stessa forza. Incorporava il meccanismo di Higgs per dare massa alle particelle fondamentali.
Da allora, il Modello Standard ha predetto i risultati di esperimento dopo esperimento, inclusa la scoperta di diverse varietà di quark e dei bosoni W e Z, particelle pesanti che sono per le interazioni deboli ciò che il fotone è per l’elettromagnetismo. La possibilità che i neutrini non siano privi di massa è stata trascurata negli anni ’60, ma è scivolata facilmente nel Modello Standard negli anni ’90.
La scoperta del bosone di Higgs nel 2012, a lungo previsto dal Modello Standard e tanto ricercato, è stata un’emozione ma non una sorpresa. È stata l’ennesima vittoria cruciale per il Modello Standard sulle forze oscure che i fisici delle particelle hanno ripetutamente avvertito incombere all’orizzonte. Preoccupati che il Modello Standard non incarnasse adeguatamente le loro aspettative di semplicità, preoccupati per la sua autocoerenza matematica, o guardando avanti all’eventuale necessità di portare la forza di gravità nella piega, i fisici hanno avanzato numerose proposte per teorie oltre lo Standard Modello. Questi portano nomi eccitanti come Teoria della grande unificazione, Supersimmetria, Technicolor e Teoria delle stringhe.
Purtroppo, almeno per i loro sostenitori, le teorie al di là del modello standard non hanno ancora previsto con successo alcun nuovo fenomeno sperimentale o alcuna discrepanza sperimentale con il modello standard.
Dopo cinque decenni, lungi dal richiedere un aggiornamento, il modello standard è degno di essere celebrato come la teoria assolutamente incredibile di quasi tutto.
Autore
Glenn Starkman, Case Western Reserve University
