Come funziona il nostro mondo a livello subatomico?

Il modello standard della fisica delle particelle

Fisica Scienza

Il Modello Standard: Un nome poco entusiasmante per la teoria scientifica più accurata conosciuta dall’umanità

Più di un quarto dei Premi Nobel per la fisica del secolo scorso sono contributi diretti al Modello Standard o risultati diretti derivanti da esso. Eppure, il suo nome suggerisce che, se puoi permetterti qualche euro in più al mese, potresti acquistare una versione migliorata.

Molti ricordano l’entusiasmo di scienziati e media per la scoperta del bosone di Higgs nel 2012. Ma quel tanto celebrato evento non è arrivato dal nulla: ha coronato una striscia di successi lunga cinquant’anni per il Modello Standard. Esso include tutte le forze fondamentali, tranne la gravità. Ogni tentativo di confutarlo o dimostrare in laboratorio che necessita di una revisione sostanziale – 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?

Indice

I più piccoli elementi costitutivi

Ovviamente sapete che il mondo intorno a noi è fatto di molecole, e che le molecole sono fatte di atomi. Il chimico Dmitri Mendeleev scoprì negli anni 1860 come organizzare tutti gli atomi – cioè, gli elementi – nella tavola periodica che probabilmente avete studiato alle medie. Ma ci sono 118 diversi elementi chimici: antimonio, arsenico, alluminio, selenio… e altri 114.

I fisici amano la semplicità. Vogliono ridurre tutto alla sua essenza, a pochi mattoni fondamentali. Oltre un centinaio di elementi chimici non è semplice. Gli antichi credevano che tutto fosse fatto di soli cinque elementi – terra, acqua, fuoco, aria ed etere. Cinque è molto più semplice di 118. Ma è anche sbagliato.

Entro il 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 strettamente nel nucleo. Gli elettroni, migliaia di volte più leggeri, ruotano intorno al nucleo a velocità prossime a quella della luce. I fisici Planck, Bohr, Schrödinger, Heisenberg e i loro colleghi avevano inventato una nuova scienza – la meccanica quantistica – per spiegare questo moto.

Sarebbe stato un punto di arresto soddisfacente. Solo tre particelle. Tre è anche più semplice di cinque. Ma come sono tenute insieme? Gli elettroni negativamente carichi e i protoni positivamente carichi sono legati dall’elettromagnetismo. Ma i protoni, tutti stipati nel nucleo, dovrebbero respingersi potentemente a causa della loro carica positiva. I neutroni, essendo neutri, non possono aiutare.

Cosa tiene insieme protoni e neutroni? “Intervento divino,” mi disse un uomo su un marciapiede di Toronto; aveva un volantino, potevo leggerci tutto. Ma questo scenario sembrava una gran fatica anche per un essere divino: tenere traccia di ciascuno degli 10⁸⁰ protoni e neutroni dell’universo e piegarli alla propria volontà.

Lo zoo delle particelle si espande

Nel frattempo, la natura ha crudelmente rifiutato di mantenere il suo zoo di particelle limitato a sole tre. In realtà quattro, perché dobbiamo contare il fotone, la particella di luce descritta da Einstein. Quattro divennero cinque quando Anderson misurò elettroni con carica positiva – positroni – che colpivano la Terra dallo spazio. Almeno Dirac aveva previsto queste prime particelle di antimateria. Cinque divennero sei con la scoperta del pione, che Yukawa aveva predetto come responsabile di tenere unito il nucleo.

Poi venne il muone, 200 volte più pesante dell’elettrone, ma altrimenti suo gemello. “Chi ha ordinato questo?” scherzò I.I. Rabi. Ecco, riassunto in una frase. Numero sette. Non solo non semplice, ma ridondante.

Negli anni ’60 c’erano centinaia di particelle “fondamentali.” Al posto della ben organizzata tavola periodica, c’erano lunghe liste di barioni (particelle pesanti come protoni e neutroni), mesoni (come i pioni di Yukawa) e leptoni (particelle leggere come l’elettrone e gli elusivi neutrini) – senza alcuna organizzazione né principi guida.

L’arrivo del Modello Standard

In questo caos si fece strada il Modello Standard. Non fu un lampo di genio improvviso. Nessun Archimede saltò fuori da una vasca gridando “eureka.” Invece, una serie di intuizioni cruciali di alcuni individui chiave a metà degli anni ’60 trasformò questa palude in una teoria semplice, seguita da cinque decenni di verifiche sperimentali ed elaborazioni teoriche.

I quark. Ce ne sono sei varietà che chiamiamo “sapori.” Come i gusti del gelato, ma meno gustosi. Invece di vaniglia e cioccolato, abbiamo “up“, “down“, “strange“, “charm“, “bottom” e “top“. Nel 1964, Gell-Mann e Zweig ci insegnarono le ricette: combina tre quark per ottenere un barione. I protoni sono composti da due quark su e uno giù; i neutroni da due giù e uno su. Scegli un quark e un antiquark per ottenere un mesone. Un pione è un quark su o giù legato a un antiquark corrispondente. Tutto ciò che costituisce la materia della vita quotidiana è fatto di soli quark up e down, antiquark ed elettroni.

Il modello standard delle particelle elementari fornisce un elenco di ingredienti per tutto ciò che ci circonda
Il modello standard delle particelle elementari fornisce un elenco di ingredienti per tutto ciò che ci circonda. Laboratorio Nazionale Acceleratori FermiCC BY

Semplice. Beh, relativamente semplice, perché mantenere questi quark uniti è un’impresa. Sono legati così strettamente che non si trova mai un quark o antiquark da solo. La teoria di questo legame, e le particelle chiamate gluoni (un nome che fa sorridere) responsabili, si chiama cromodinamica quantistica. È una parte vitale del Modello Standard, ma matematicamente complessa, al punto da porre un problema fondamentale ancora irrisolto nella matematica di base.

Un modello per i leptoni

Un altro aspetto del Modello Standard è “Un modello per i leptoni”, il titolo del famoso articolo del 1967 di Steven Weinberg che combinò la meccanica quantistica con le conoscenze fondamentali su come interagiscono le particelle, organizzandole in una teoria unica. Incorporò l’elettromagnetismo, lo unì alla “forza debole” responsabile di certi decadimenti radioattivi, e spiegò che erano aspetti diversi della stessa forza. Incluse il meccanismo di Higgs, che conferisce massa alle particelle fondamentali.

Da allora, il Modello Standard ha previsto i risultati di esperimenti uno dopo l’altro, inclusa la scoperta di diverse varietà di quark e dei bosoni W e Z – particelle pesanti che, per le interazioni deboli, svolgono un ruolo analogo a quello del fotone per l’elettromagnetismo. La possibilità che i neutrini non siano privi di massa, trascurata negli anni ’60, è stata facilmente integrata nel Modello Standard negli anni ’90, con qualche decennio di ritardo.

Scoprire il bosone di Higgs nel 2012, a lungo previsto dal Modello Standard e a lungo ricercato, è stato emozionante ma non sorprendente. È stata un’altra cruciale vittoria per il Modello Standard contro le forze oscure che i fisici delle particelle hanno ripetutamente avvertito si annidassero all’orizzonte. Preoccupati che il Modello Standard non incarnasse adeguatamente le loro aspettative di semplicità, preoccupati per la sua coerenza matematica, o guardando avanti alla necessità di integrare la forza di gravità, i fisici hanno proposto numerose teorie oltre il Modello Standard. Queste portano nomi entusiasmanti come Teoria della grande unificazioneSupersimmetriaTechnicolor e Teoria delle stringhe.

Purtroppo, almeno per i loro sostenitori, le teorie oltre il Modello Standard non hanno ancora previsto con successo nuovi fenomeni sperimentali né alcuna discrepanza sperimentale con il Modello Standard.

Dopo cinque decenni, lungi dal richiedere un aggiornamento, il Modello Standard merita di essere celebrato come La Teoria Assolutamente Straordinaria del Quasi Tutto.

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