Il Modello Standard

I fisici hanno elaborato una teoria, chiamata Modello Standard, che vuole descrivere sia la materia che le forze dell'Universo.

La bellezza di tale teoria è nella capacità di descrivere tutta la materia sulla base di poche particelle ed interazioni fondamentali.

Le idee chiave sono:

Esistono delle particelle che sono i costituenti fondamentali della materia.

Il Modello Standard sostiene che le particelle fondamentali si dividono in 2 gruppi principali - i quark e i leptoni - e ogni gruppo è costituito di 6 elementi (detti anche sapori ).

Esistono delle particelle che sono mediatrici di forza.

Le interazioni tra le particelle fondamentali di materia avvengono tramite lo scambio di particelle mediatrici di forza (un esempio che svilupperemo in seguito, è il mediatore dell'interazione elettromagnetica, il fotone).

Il Modello Standard è una buona teoria. Gli esperimenti l'hanno verificato con una incredibile precisione, e quasi tutte le sue previsioni si sono rivelate corrette. Ma il Modello Standard non spiega tutto, come ad esempio la forza gravitazionale. Nel percorso Le Particelle Subatomiche abbiamo visto che la materia che ci circonda è composta da soli tre tipi di particelle: gli elettroni, i protoni ed i neutroni, che si uniscono per formare gli atomi. In termini del Modello Standard le particelle fondamentali costituenti della materia sono i quark up e down (costituenti del protone e del neutrone) e il leptone elettrone.

Ma perché il Modello Standard introduce nuove particelle oltre i quark up, down e l'elettrone? Per rispondere a questa domanda iniziamo il percorso introducendo le forze che agiscono tra le particelle fondamentali ...

Storicamente è avvenuto che osservando e studiando i meccanismi attraverso i quali le particelle interagiscono (anni 50 del secolo passato), i fisici hanno scoperto nuove ed inaspettate particelle (il muone e il kaone). In seguito, dal 1974 (scoperta della particella J/psi) al 1997 (scoperta del quark top) quasi tutte le altre particelle che completano il quadro predetto dal Modello Standard sono state sperimentalmente osservate.

In natura esistono quattro interazioni fondamentali, che sono alla base degli scambi di energia tra le particelle e che sono responsabili della struttura dell'Universo. Queste sono l'interazione elettromagnetica, l'interazione forte, l'interazione debole e l'interazione gravitazionale. Prima di introdurle brevemente sono necessarie alcune piccole premesse.
Come già accennato il Modello Standard descrive le interazioni tra le particelle fondamentali come uno scambio di una o più particelle mediatrici di forza che sono chiamate bosoni intermedi o quanti del campo di interazione. Queste particelle, trasportatrici dell'energia dell'interazione, vengono emesse e riassorbite dalle particelle interagenti.

Per descrivere un'interazione è importante definire due quantità: il raggio d'azione e l'intensità.
Il raggio d'azione di un'interazione è la distanza massima alla quale essa è influente. Ad esempio l'interazione gravitazionale ha un raggio d'azione infinito; per questo motivo il sole esercita la sua forza anche su pianeti lontanissimi come Plutone.
L'intensità fornisce una misura dei rapporti di forza tra le interazioni di diversa natura.

L'interazione elettromagnetica è responsabile della struttura atomica e molecolare della materia e si manifesta nella nostra vita quoditiana in molti modi, dall'energia elettrica che utilizziamo nelle nostre case per accendere la luce e i vari elettrodomestici, ai segnali che portano nelle nostre case i programmi televisivi e radiofonici e ci permettono di comunicare con i nostri amici tramite il telefono cellulare.
Al livello microscopico l'interazione elettromagnetica si manifesta tra tutte le particelle dotate di carica elettrica diversa da zero ed ha come mediatore dell'interazione (bosone intermedio) il fotone.

Due particelle con la stessa carica elettrica (ad es. due elettroni) si respingono reciprocamente.
Ma come avviene la repulsione? L'interazione fra due elettroni implica un fascio di fotoni (portatori della forza elettromagnetica) che passano da un elettrone all'altro e viceversa. Pensiamo a questi fotoni come a una grandinata di pallottole di mitragliatrice ... allora ogni elettrone che emette un fascio di fotoni rincula, mentre al tempo stesso ogni elettrone che e' colpito da un fascio di fotoni è spinto via.

Non sorprende che i due elettroni si respingono!

Più difficile è capire perché particelle di carica opposta (per esempio un elettrone e un protone) si attraggono, ma è proprio questo ciò che accade. Un'analogia che potrebbe esserci d'aiuto consiste nel pensare a un gruppo di atleti impegnati in un allenamento, che corrono lanciandosi reciprocamente una palla medicinale. Essi tendono ad avvicinarsi tra di loro perché altrimenti non sarebbero in grado di lanciarsi una palla cosi pesante!

Al contrario nel mondo microscopico delle particelle, quest'attrazione funziona attraverso lo scambio di particelle molto leggere, come sono i fotoni che hanno massa nulla! Un flusso di fotoni emessi da un elettrone entrando in collisione con un protone, non lo spinge via ma lo attrae verso l'elettrone, e viceversa.
Poiché hanno massa nulla, i fotoni una volta prodotti possono propagarsi su distanze enormi, anche percorrere l'intero universo! In altre parole il raggio d'azione dell'interazione elettromagnetica è infinito.
Inoltre l'intensità dell'interazione elettromagnetica diminuisce tanto più le particelle interagenti si allontanano tra di loro.

Abbiamo accennato che l'interazione elettromagnetica è responsabile della coesione tra gli elettroni e il nucleo negli atomi. Quando si scende alla scala del nucleo atomico, i protoni e i neutroni sono tenuti insieme da un'altra forza, l'interazione forte che impedisce al nucleo di disintegrarsi in conseguenza della repulsione elettromagnetica tra i protoni del nucleo. L'interazione forte non è però connessa direttamente a neutroni e protoni , bensì a uno strato di struttura più profondo al loro interno, al livello dei quark.

L'evidenza sperimentale dell'esistenza dei quark proviene da una serie di esperimenti eseguiti alla fine degli anni Sessanta e negli anni Settanta, iniziati dai ricercatori della Stanford University in California. Questi esperimenti utilizzavano fasci di elettroni di elevata energia che venivano sparati contro i nuclei atomici. Lo studio della diffusione degli elettroni dopo l'urto con i nuclei mise in evidenza la struttura interna dei protoni e dei neutroni.

Ogni protone e neutrone è composto invariabilmente di tre quark. Il carattere più interessante dei quark è che essi non vengono mai osservati isolatamente ma solo in triplette (particelle indicate con il nome di barioni, protoni e neutroni sono barioni) e coppie (particelle indicate con il nome di mesoni).

I quark sono tenuti uniti dallo scambio delle particelle mediatrici della forza forte. Quando si trattò di dare un nome a queste particelle, i fisici si permisero una piccola battuta: queste particelle sono state chiamate gluoni perché incollano (in inglese glue vuol dire colla) i quark l'uno all'altro.
Anziché pensare ai gluoni fra due quark come a un fascio di particelle, dobbiamo immaginarli come un robusto elastico che unisce i quark. Quando i quark sono vicini, l'elastico è allentato e i quark possono muoversi l'uno relativamente all'altro, ma quando i quark cercano di allontanarsi fra loro (anche disponendosi semplicemente ai due lati opposti di un protone) l'elastico si tende e li attrae l'uno verso l'altro. Quanto più essi si allontanano tanto più l'elastico si tende, e tanto più fortemente essi sono attratti.

Quindi l'intensità dell'interazione forte aumenta all'aumentare della distanza delle particelle interagenti (i quark in un barione o in un mesone) ma il raggio d'azione dell'interazione forte è estremamente piccolo, sufficiente per garantire l'integrità dei nuclei atomici, circa 1 fm.

Così come l'interazione elettromagnetica avviene solo tra particelle dotate di carica elettrica, l'interazione forte avviene solo tra particelle composte di quark. Ciò è dovuto al fatto che i quarks trasportano un nuovo tipo di carica, la carica di colore.
Diversamente dalla carica elettrica, la carica di colore non si presenta nel mondo quoditiano. E` chiamata carica di colore perché le regole per combinare i quark in barioni (particelle con tre quark) e/o in mesoni (particelle con due quark) ricordano le regole per ottenere la luce bianca dai colori primari, ma in realtà questo tipo di carica non ha alcuna vera connessione con i colori reali.

La forza debole è quella che si discosta di più dalla nozione di forza della nostra esperienza quoditiana. L'interazione debole non contribuisce tanto alla coesione della materia quanto alla sua trasformazione. Come esempio consideriamo una particolare manifestazione delle interazioni deboli, il decadimento beta:
la trasfomazione di un neutrone in un protone più un elettrone e un antineutrino elettrone.
Seguiamo le singole fasi di questa trasformazione:

Nota: la carica iniziale del quark down è -1/3, mentre la carica finale è la somma della carica del quark up (2/3) e del bosone W (-1). Questo vuol dire che la carica totale in un processo di trasformazione o come tecnicamente si dice di decadimento debole, si conserva.


Il processo appena descritto è alla base del fenomeno della radioattività di alcuni atomi come l'Uranio 238.

In generale le interazioni deboli sono responsabili del decadimento di quark e leptoni. Le particelle mediatrici delle interazioni deboli sono due bosoni W, uno con carica elettrica positiva ed uno con carica elettrica negativa, e un bosone Z con carica elettrica nulla, tutti e tre hanno massa diversa da zero. Il raggio d'azione della forza debole è estremamente piccolo, al limite possiamo dire che è puntiforme, cosicché è improbabile che due particelle si trovino abbastanza vicine da sentire l'una la forza dell'altra. Il raggio d'azione della forza è così piccolo perché i bosoni W e Z che la mediano sono molto pesanti (il bosone W è 85 volte la massa del protone, mentre il bosone Z è 97 volte la massa del protone), così pesanti che è difficile per due particelle scambiarseli! Ne segue che anche l'intensità relativa delle interazioni deboli è estremamente piccola, tanto piccola che i processi di decadimentosono in generale eventi molto rari.

Negli anni Settanta le interazioni deboli ed elettromagnetiche sono state descritte in un unica teoria delle interazioni elettrodeboli, ad opera di S. Glashow, A. Salam e S. Weinberg (insigniti del premio Nobel per la fisica nel 1979) che realizzarono, dopo l'unificazione delle interazioni elettriche e magnetiche eseguita da Maxwell, un ulteriore passo in avanti verso l'unificazione di tutte le forze fondamentali.

La gravità è la più debole delle quattro forze, ma è quella a noi più familiare nella vita quoditiana e fu la prima a essere studiata scientificamente.
In qualsiasi pezzo di materia la gravità di tutte le singole particelle che lo compongono, si somma. Non esiste per la gravità una cancellazione come quella fra le cariche elettriche positive e negative in un atomo.
Quindi anche se molto minore di intesità delle altre forze, a livello macroscopico la gravità, proprio per la sua addittività, produce effetti molto grandi.

Il raggio d'azione della gravità è infinito come quello dell'elettromagnetismo, e come accade per l'interazione elettromagnetica, l'intensità dell'interazione gravitazionale diminuisce all'aumentare della distanza tra i corpi interagenti.
La gravità è chiaramente un'interazione fondamentale della natura, ma la teoria del Modello Standard non è ancora in grado di spiegarla e di inserirla in modo soddisfacente in un quadro completo delle quattro interazioni fondamentali. Questo è uno dei principali problemi aperti della fisica moderna. Inoltre il mediatore della gravità, per il quale si fa l'ipotesi che si tratti di una particella di massa nulla (il gravitone), non è stato ancora sperimentalmente osservato.

L'intensità relativa delle quattro forze fondamentali della natura può essere espressa in rapporto all'intensità della forza forte. Se poniamo l'intensità della forza forte uguale a 1, l'intensità, molto arrotondata, della forza elettromagnetica, è di circa 10-2 (un centesimo della forza forte), l'intensità della forza debole è di 10-13 (dobbiamo immaginare di ridurre la forza
forte di un milione di volte poi ancora di un milione di volte e poi ancora di dieci volte). L’intensità della gravità è 1038 volte minore della interazione elettromagnetica. Questo vuole dire che l'interazione forte è cento miliardi di miliardi di miliardi di miliardi di volte più intensa della gravità. Ricordiamo che la forza debole e la forza forte hanno entrambe un raggio d'azione molto limitato, operando a una scala assai minore delle dimensioni di un atomo. Mentre la forza elettromagnetica e quella gravitazionale hanno un raggio d'azione infinito. Infine ricordiamo le particelle mediatrici delle quattro interazioni fondamentali e le particelle sulle quali agiscono ...

Il gravitone (interazione gravitazionale) agisce su tutte le particelle. Il gluone (interazione forte) agisce su i tutti i quark, il fotone (interazione elettromagnetica) agisce su tutte le particelle dotate di carica elettrica, quindi su tutti i quark e su elettrone, muone e tau. I bosoni intermedi Z0, W+ e W- (interazione debole), agiscono su tutte le particelle.

L'elettrone e la coppia di quarkup e down sono i mattoni fondamentali della materia stabile presente nell'universo, ma come abbiamo già accennato introducendo il Modello Standard il quadro delle particelle fondamentali è molto più complesso.
Innanzi tutto ogni particella è accompagnata da una antiparticella... ma non basta.

Nelle interazioni con scambi di elevata energia che avvengono naturalmente (Raggi Cosmici) o che sono artificialmente prodotte in laboratori come quelli dei Laboratori Nazionali di Frascati (LNF) dell'INFN sono prodotte una grande varietà di particelle effimere, che in breve tempo si trasformano in particelle sempre più leggere fino ad assumere la forma della materia ordinaria che già abbiamo imparato a conoscere. Queste particelle effimere vengono indicate con il nome di materia esotica. Sono i leptoni muone e tau , tre tipi di neutrini che non decadono, e particelle i cui costituenti sono i quark strano, charm, beauty, e top, tutti previsti dal Modello Standard.

La materia esotica seppure di minore importanza per spiegare l'universo così come ci si presenta, è essenziale per capire la sua nascita (il famoso Big Bang) e la sua evoluzione fino ai nostri giorni.
Le particelle materiali (leptoni e quark) si presentano in famiglie, che la figura ci aiuta a visualizzare.

I leptoni si distinguono in sei sapori (sì! ... la scelta del nome sapore si fonda proprio sull'analogia col gelato!): l'elettrone (e), il neutrino-elettrone, il muone (mu), il neutrino-muone, il tauone (tau) e il neutrino-tau. L'elettrone, il muone, e il tauone hanno tutti carica elettrica negativa (-1), e sembrano differire l'uno dall'altro solo per avere masse diverse. Se esprimiamo le masse in rapporto alla massa del protone, otteniamo che l'elettrone è 1836 volte più leggero, il muone è 9 volte più leggero e il tauone è quasi 2 volte più pesante del protone. Ad ogni particella e, mu e tau è associata una particella detta neutrino che non trasporta alcuna carica elettrica. La massa dei neutrini non è ancora stata misurata con precisione, ma noi sappiamo che è molto piccola ... quasi nulla ! Nel 1995 un gruppo di fisici del laboratorio di Los Alamos hanno annunciato di aver misurato un possibile intervallo di valori per la massa del neutrino: da 100 000 a un milione di volte inferiore a quella dell'elettrone!
Nota. Poiché i neutrini non hanno né carica elettrica né carica di colore (ricordiamo che la carica di colore è una caratteristica esclusiva dei quark) interagiscono con la materia che li circonda solo grazie alla forza debole. Ma la forza debole è causa di eventi estremamente rari, talmente rari che i neutrini sono in grado di attraversare l'intera massa terrestre senza subire alcuna interazione!

Ovviamente ci sono anche le corrispondenti antiparticelle (vedi persorso Materia - Antimateria)

I leptoni più pesanti, i mu e i tau, si trasformano velocemente (tramite interazione debole) in leptoni più leggeri. I fisici hanno osservato molti di questi decadimenti e hanno scoperto che le regole secondo le quali queste particelle decadono possono essere spiegate se dividiamo i leptoni in tre famiglie o generazioni: l'elettrone e il suo neutrino, il muone e il suo neutrino, il tauone e il suo neutrino. Nel processo di trasformazione di un leptone il numero dei membri di ogni famiglia prima e dopo la trasformazione deve restare costante.

Lo schema dei quark è molto simile a quello dei leptoni. Ci sono sei sapori di quark: up (u), down (d), strange (s), charm (c), bottom (b), e top (t), in ordine di massa crescente. Ponendo uguale a 1 la carica di un elettrone, i quark up, charm e top hanno una carica di -2/3, mentre i quark down, strange e bottom hanno una carica di 1/3. Anche i quark si presentano in tre famiglie organizzate per massa crescente. Posta uguale a 1 la massa del protone, il quark up ha massa pari a circa 1/235, il quark down 1/135, il quark strange 1/6, il quark charm 1,6, il quark bottom 5,2 e il quark top 170. Si deve peraltro aggiungere che le masse dei quark sono state misurate finora solo con una precisione attorno al 20 per cento.

Anche qui troviamo le corrispondenti antiparticelle.

Riassumendo, i mattoni fondamentali di tutta la materia visibile nell'universo sono le particelle della prima famiglia o generazione (quark up e down, e gli elettroni). Questo perché tutte le particelle della seconda e terza generazione sono instabili e si trasformano velocemente nelle particelle stabili della prima generazione.
Ma perché le particelle fondamentali si presentano in famiglie ? E perché sono 3? ... perché non soltanto una, la prima? ... che è quella sufficiente per descrivere il mondo che ci circonda così come è adesso?
Non lo sappiamo ... e senza capire perché la seconda e la terza generazione di particelle esistono, non possiamo scartare la possibilità che esistano altri quark e leptoni che ancora non sono stati scoperti. O forse la risposta è che i quark e i leptoni non sono fondamentali... insomma l'avventura continua !!!