L'Alba dell''Universo

Fisica SubAtomica & Fisica Quantistica

Mauro Maestripieri & Marco Margiocco

Teoria delle stringhe

In fisica, la teoria delle stringhe, talvolta definita teoria delle corde, è una teoria che si fonda sul principio secondo cui la materia, l'energia e, sotto certe ipotesi, lo spazio e il tempo sono in realtà la manifestazione di entità fisiche sottostanti che a seconda del numero di dimensioni in cui si sviluppano vengono chiamate "stringhe" oppure "brane".

Uno studio più approfondito della teoria delle stringhe ha rivelato che gli oggetti descritti dalla teoria possono essere di varie dimensioni e quindi essere punti (0 dimensioni), stringhe (1 dimensione), membrane (2 dimensioni) e oggetti di dimensioni D superiori (D-brane).

L'interesse della teoria risiede nel fatto che si spera possa essere una teoria del tutto, ossia una teoria che inglobi tutte le forze fondamentali.

Interazioni nel mondo subatomico: linee d'universo di particelle puntiformi nel Modello Standard (a sinistra) e un foglio d'universo composto da stringhe chiuse nella teoria delle stringhe (a destra )

I diversi ordini di grandezza della materia:
1. Materia (macroscopico)
2.Struttura molecolare (atomi)
3.Atomi (neutroni, protoni, elettroni)
4.Elettroni
5.Quark
6.Stringhe

La teoria di stringa bosonica è formulata in termini di azione di Polyakov, una quantità matematica che può essere usata per prevedere come le stringhe si muovono nello spazio-tempo. Applicando le idee della meccanica quantistica all'azione di Polyakov — procedura nota come quantizzazione — si può dedurre che ogni stringa può vibrare in molti modi diversi, e che ogni stato di vibrazione rappresenta un tipo diverso di particella. La massa di cui è dotata la particella e i vari modi in cui può interagire, sono determinati dai modi in cui la stringa vibra — essenzialmente, dalla nota che la stringa vibrando produce. La scala delle note, ad ognuna delle quali corrisponde una particella, è denominata "spettro energetico" della teoria.

Questi primi modelli includevano sia stringhe aperte, che hanno due punti terminali definiti, che stringhe chiuse, dove gli estremi sono congiunti a formare un anello, un loop. I due tipi di stringa si comportano in maniera leggermente diversa, producendo due spettri. Non tutte le moderne teorie delle stringhe usano entrambi i tipi; alcune comprendono solo le tipologie chiuse.

Comunque, la teoria bosonica comporta dei problemi. Fondamentalmente, la teoria ha una peculiare instabilità, portando al decadimento dello stesso spazio-tempo. In più, come il nome suggerisce, lo spettro di particelle contiene solo bosoni, particelle come il fotone con spin intero. Sebbene i bosoni siano un ingrediente indispensabile nell'universo, non sono i suoi unici costituenti. Investigando su come una teoria delle stringhe debba includere i fermioni nel suo spettro conduce alla supersimmetria, una relazione matematica tra bosoni e fermioni che è ora un settore di studio indipendente. Le teorie delle stringhe che includono vibrazioni fermioniche sono conosciute come teorie delle superstringhe; ne sono stati descritti parecchi tipi diversi.

Se da un lato comprendere i dettagli delle teorie delle stringhe e delle superstringhe richiede la conoscenza di una matematica abbastanza sofisticata, alcune proprietà qualitative delle stringhe quantistiche possono essere capite in modo abbastanza intuitivo. Per esempio, le stringhe sono soggette a tensione, più o meno come le tradizionali corde degli strumenti; questa tensione è considerata un parametro fondamentale della teoria. La tensione della stringa è strettamente collegata alla sua dimensione. Si consideri una stringa chiusa ad anello, libera di muoversi nello spazio senza essere soggetta a forze esterne. La sua tensione tenderà a farla contrarre in un anello sempre più stretto. L'intuizione classica suggerisce che essa potrebbe ridursi ad un punto, ma questo contraddirebbe il principio di indeterminazione di Heisenberg. La dimensione caratteristica della stringa sarà quindi determinata dall'equilibrio fra la forza di tensione, che tende a renderla più piccola, e l'effetto di indeterminazione, che tende a mantenerla "allargata". Di conseguenza, la dimensione minima della stringa deve essere collegata alla sua tensione. Una caratteristica interessante della teoria delle stringhe è che essa predice il numero di dimensioni che l'Universo dovrebbe avere. Né la teoria dell'elettromagnetismo di Maxwell né la teoria della relatività di Einstein dicono nulla sull'argomento: entrambe le teorie richiedono che i fisici inseriscano "a mano" il numero delle dimensioni.

Invece, la teoria delle stringhe consente di calcolare il numero di dimensioni dello spazio-tempo dai suoi principi base. Tecnicamente, questo accade perché il principio di invarianza di Lorentz può essere soddisfatto solo in un certo numero di dimensioni. Più o meno questo equivale a dire che se misuriamo la distanza fra due punti e poi ruotiamo il nostro osservatore di un certo angolo e misuriamo di nuovo, la distanza osservata rimane la stessa solo se l'universo ha un ben preciso numero di dimensioni. Il solo problema è che quando si esegue questo calcolo, il numero di dimensioni dell'universo non è quattro, come ci si potrebbe attendere (tre assi spaziali e uno temporale), bensì ventisei. Più precisamente, le teorie bosoniche implicano 26 dimensioni, mentre le superstringhe e le teorie-M risultano richiedere 10 o 11 dimensioni. Nelle teorie di stringa bosonica, le 26 dimensioni risultano dall'equazione di Polyakov

Una rappresentazione tridimensionale di uno spazio di Calabi-Yau

Comunque, questi modelli sembrano in contraddizione con i fenomeni osservati. I fisici di solito risolvono questo problema in uno dei due diversi modi. Il primo consiste nel compattare le dimensioni extra; cioè, si suppone che le 6 o 7 dimensioni extra producano effetti fisici su un raggio così piccolo da non poter essere rilevate nelle nostre osservazioni sperimentali. Senza aggiungere i flussi, riusciamo ad ottenere la risoluzione del modello a 6 dimensioni con gli spazi di Calabi-Yau. In 7 dimensioni, essi sono chiamati varietà G2 e in 8 varietà Spin(7). In sostanza, queste dimensioni extra vengono matematicamente compattate con successo facendole ripiegare su sé stesse.

Una analogia molto usata per questo è di considerare lo spazio multidimensionale come un tubo di gomma per il giardino. Se guardiamo il tubo da una certa distanza, esso sembra avere una sola dimensione, la sua lunghezza. Questo corrisponde alle quattro dimensioni macroscopiche cui siamo abituati normalmente. Se però ci avviciniamo al tubo, scopriamo che esso ha anche una seconda dimensione, la sua circonferenza. Questa dimensione extra è visibile solo se siamo vicini al tubo, proprio come le dimensioni extra degli spazi di Calabi-Yau sono visibili solo a distanze estremamente piccole, e quindi non sono facilmente osservabili.

A tutt'oggi, la teoria delle stringhe non è verificabile, anche se ci sono aspettative che nuove e più precise misurazioni delle anisotropie della radiazione cosmica di fondo, possano dare le prime conferme indirette. Indubbiamente non è l'unica teoria in sviluppo a soffrire di questa difficoltà; qualunque nuovo sviluppo può passare attraverso una fase di non verificabilità prima di essere definitivamente accettato o respinto.

Si potrebbe tuttavia verificare la veridicità della teoria indirettamente analizzando i gravitoni. Gli attuali acceleratori di particelle non sono in grado di tracciare il momento in cui un gravitone sfugge per passare a una brana vicina. Forse LHC, il nuovo acceleratore in costruzione a Ginevra, potrà darci nuove risposte.L'uomo non possiede la tecnologia per osservare le stringhe, in quanto dai modelli matematici dovrebbero avere dimensioni intorno alla lunghezza di Planck, circa 10^{-35 metri. Le concentrazioni di energia richieste a tali
dimensioni sembrano definitivamente fuori dalla portata di qualsiasi strumento
attuale o futuro.}

Potremmo alla fine essere in grado di osservare le stringhe in maniera significativa, o almeno ottenere informazioni sostanziali osservando fenomeni cosmologici che possano chiarire gli aspetti della fisica delle stringhe. In particolare, visti i dati dell'esperimento WMAP, si suppone che gli esperimenti del satellite Planck dovrebbero far luce sulle condizioni iniziali dell'Universo, misurando con estrema precisione le anisotropie del fondo a microonde. Superstringhe, D-brane ed altri tipi di stringhe stirate fino alla scala intergalattica emettono onde gravitazionali che potrebbero essere rilevate utilizzando esperimenti del tipo LIGO. Esse possono anche provocare lievi irregolarità nella radiazione cosmica di fondo ancora impossibili da rilevare ma probabilmente osservabili in un prossimo futuro.

Nel gennaio 2007 ricercatori dell'Università della California a San Diego, della Carnegie Mellon University e della Università del Texas a Austin hanno sviluppato un test per la teoria delle stringhe. Il test si basa sulla misura della diffusione dei bosoni W quando vengono fatti collidere con opportuni bersagli e dovrebbe essere svolto all'interno del Large Hadron Collider l'unico acceleratore di particelle in grado di fornire l'energia necessaria per l'esperimento.

Teoria delle Superstringhe

La Teoria delle superstringhe è un tentativo di spiegare tutte le particelle e le forze fondamentali della natura in un'unica teoria considerandole come vibrazioni di sottilissime stringhe supersimmetriche. La teoria delle superstringhe (super perché supersimmetriche) spiega a livello teorico:

l'esistenza dei gravitoni
il perché della presenza delle tre famiglie di particelle
perché ogni famiglia di particelle abbia certe proprietà e non altre

Le proprietà di cui si parla sono:

Essa è considerata una delle più promettenti teorie della gravità quantistica. Il termine di teoria delle superstringhe è in realtà una contrazione del termine più corretto di "teoria supersimmetrica delle stringhe" perché non dissimile dalla teoria bosonica delle stringhe, nella versione della teoria delle stringhe che include i fermioni e la supersimmetria. Al momento il problema più importante della fisica teorica consiste nell'armonizzare la relatività generale, che descrive la gravità e viene applicata al macrocosmo (stelle, galassie, ammassi), e la meccanica quantistica che descrive le altre tre forze fondamentali che descrivono il microcosmo (elettroni, fotoni, quark).

Lo sviluppo di una teoria quantistica dei campi riguardanti una forza fornisce invariabilmente probabilità infinite (e quindi prive di utilità). I fisici teorici hanno sviluppato una tecnica matematica detta rinormalizzazione che elimina questi infiniti che si trovano nell'elettromagnetismo, nella interazione nucleare forte e nell' interazione nucleare debole ma non quelli che si trovano nella gravità (senza introdurre un numero infinito di termini alla definizione Lagrangiana della teoria, rischiando la località, o altrimenti un numero finito di termini che non rispettano l'invarianza di Lorentz). Quindi lo sviluppo di una teoria quantistica della gravità deve essere espressa in maniera differente rispetto alle teorie che riguardano le altre forze della natura. L'idea che sta alla base della teoria è che i costituenti fondamentali della realtà sono stringhe o corde di lunghezza pari a quella di Planck (1,616x10^{-35 m}) che vibrano a frequenze diverse. Il gravitone, la particella proposta quale messaggera della gravità, per esempio, è descritta dalla teoria come una stringa con lunghezza d'onda uguale a zero.

Questa particella nasce dalle oscillazioni di una stringa nello spazio e l'elisione di componenti energetiche sui vari piani di vibrazione rende possibile l'esistenza di particelle con massa nulla (ad esempio fotoni) e particelle dotate di massa non nulla ed in cui alcune componenti energetiche non si elidono. Un'altra condizione prevista dalla teoria è che non vi sono differenze misurabili che possono essere riscontrate tra stringhe che si accartocciano intorno a dimensioni più piccole di loro stesse e quelle che si muovono lungo dimensioni più grandi (cioè, gli effetti in una dimensione di grandezza R sono uguali a quelli in una dimensione di grandezza 1/R). Le singolarità sono evitate in virtù del fatto che le conseguenze del Big Crunch che si osservano non raggiungono mai lo zero. Infatti, potendo l'universo iniziare in una sorta di processo tipo Big Crunch, la teoria delle stringhe ci dice che l'universo non può mai essere più piccolo delle dimensioni di una stringa, che a quel punto deve iniziare ad espandersi.

Numero delle dimensioni

Il nostro spazio fisico possiede solo 4 dimensioni apprezzabili alla nostra scala di grandezza e di ciò bisogna sempre tenere conto in qualsiasi teoria fisica; tuttavia, nulla vieta di per sé che una teoria affermi che vi sono delle dimensioni spaziali aggiuntive. Nel caso della teoria delle stringhe, vi sono evidenze secondo cui lo spazio-tempo richiede 10, 11 o addirittura 26 dimensioni. Il conflitto tra i dati osservati e la proposta teorica viene risolto postulando che le dimensioni aggiuntive siano "arrotolate su se stesse" o meglio compattificate. Il modello a 6 dimensioni di Calabi-Yau può giustificare le dimensioni addizionali richieste dalla teoria delle superstringhe. La nostra mente trova difficile visualizzare queste dimensioni perché noi possiamo muoverci soltanto in uno spazio a tre dimensioni. Un metodo per superare questo limite è quello di non tentare di visualizzare più dimensioni bensì quello di pensare ad esse come numeri extra nelle equazioni che descrivono come il mondo è fatto. Ciò apre la questione se questi numeri extra possano essere osservati direttamente mediante esperimenti. Questo, a sua volta, pone la questione se i modelli che derivano da questi calcoli astratti possano essere considerati scientifici, in quanto fino ad ora pare non sia possibile dimostrarli con esperimenti, dato che con la fisica conosciuta oggi gli apparati sperimentali dovrebbero essere grandi oltre l'immaginabile (sarebbero utili acceleratori di particelle grandi più o meno quanto la nostra galassia). La teoria delle superstinghe non è la prima teoria a più dimensioni proposta (vedi la teoria di Kaluza-Klein). La moderna teoria delle stringhe si basa sulla matematica delle pieghe, dei nodi e della topologia che è stata largamente sviluppata dopo Kaluza e Klein e che ha permesso negli ultimi tempi che le teorie fisiche fondate su dimensioni extra fossero molto più credibili di quanto lo fossero ai tempi di Kaluza e Klein.

Numero delle teorie delle superstringhe

I fisici teorici sono stati molto preoccupati dal fatto che esistessero 5 differenti teorie delle superstringhe. Questo problema è stato risolto dalla cosiddetta seconda rivoluzione delle superstringhe avvenuta negli anni novanta durante i quali si è scoperto che le 5 teorie sono in realtà 5 diversi aspetti di una teoria ancora più basilare: la M-teoria.

Le cinque teorie delle superstringhe sono:

La teoria delle stringhe Tipo I ha una supersimmetria in senso deca-dimensionale (16 supercariche). Questa teoria è particolare in quanto si basa su stringhe non orientate aperte e chiuse, mentre le altre sono basate su stringhe orientate chiuse.
La teoria delle stringhe Tipo II ha due supersimmetrie in senso deca-dimensionale (32 supercariche). Vi sono attualmente due tipi di strighe tipo II chiamate tipo IIA e tipo IIB. Differiscono tra di loro per il fatto che la teoria IIA è di tipo non-chirale (parità conservate) mentre la IIB è di tipo chirale (parità violata 9).
Le teorie delle stringhe eterotiche sono basate su un ibrido particolare di superstringa tipo I e stringa bosonica. Vi sono due tipi di stringhe eterotiche che differiscono riguardo al gruppo di gauge deca-dimensionale: la stringa eterotica E₈×E₈ e la stringa eterotica SO(32). (Il nome di eterotica SO(32) è lievemente impreciso riguardo ai gruppi di Lie SO(32) perché la teoria dà origine ad un quoziente di Spin(32)/Z₂ che non è equivalente a SO(32).)

Le teorie di gauge chirali possono essere inconsistenti a causa di anomalie. Queste accadono quando certi diagrammi di Feynman a un loop determinano una rottura della simmetria di gauge nei loro effetti quantistici.

Particelle e Forze fondamentali

Interazione	Mediatore	Magnitudine relativa	Andamento asintotico	Raggio d'azione
Interazione forte	gluone	10³⁸	r⁰	1,4 · 10^-15 m
Interazione elettromagnetica	fotone	10³⁶	1/r²	$\infty$
Interazione debole	Bosoni Z, W+ e W-	10²⁵	$\frac{e^{-Mr}}{r}$	10^{-18 m}
Interazione gravitazionale	gravitone	10⁰	1/r²	$\infty$

Forze	Mediatori	Particelle-materia soggette alla forza
forti	gluoni	quark
elettromagnetiche	fotoni	quark, elettroni
deboli	astenoni	quark, elettroni, neutrini
gravitazionali	gravitoni	quark, elettroni, neutrini

Semplificando, il raggio d'azione di un'interazione può essere pensato come 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 corpi lontanissimi come Plutone, e qualunque atomo dell'universo esercita una forza, seppur minima, su ogni altro atomo dell'universo. Anche l'interazione elettromagnetica ha raggio d'azione infinito, mentre interazione forte ed interazione debole hanno raggi d'azione finiti (e particolarmente piccoli, se raffrontati con le scale umane). L'intensità fornisce una misura dei rapporti di forza tra le interazioni di diversa natura. La cronologia del Big Bang, espressione coniata dallo scienziato George Gamow, è la storia, dei primi istanti di vita dell'Universo, che vanno dalla singolarità all'inizio del tempo, 13,75 miliardi di anni fa, alla formazione dei primi atomi, avvenuta circa 200 secondi dopo il Big Bang. Le principali teorie fisiche che spiegano l'inizio dell'Universo sono l'inflazione e le teorie GUT ("di grande unificazione"). La teoria dell'inflazione ipotizza una rapida ma drastica accelerazione dell'espansione dello spazio pochi istanti dopo la singolarità all'inizio dell'Universo. Questa rapida accelerazione portò il tessuto spaziale ad espandersi da dimensioni miliardi di volte più piccole di quelle di un protone ad una dimensione posta a metà fra una biglia ed un pallone da calcio. Secondo le teorie GUT, l'inflazione potrebbe essere stata causata da una forma di campo di Higgs particolare detta "inflatone". Poco dopo l'inizio dell'Universo, l’energia dell’l'inflatone, a causa delle temperature estremamente elevate, oscillava prima di stabilirsi ad un livello minimo. L'oscillazione dell'inflatone portò ad una breve ma intensa espansione dello spazio, liberando una quantità di radiazione uniforme (se si escludono le fluttuazioni quantistiche) che portò alla formazione di tutta la materia.

La rottura della simmetria CP

La radiazione liberata dall'inflazione diede origine a coppie particella-antiparticella, che si annichilirono nuovamente in radiazione. Se, in questo modo, la materia si può formare per poi annichilirsi istantaneamente, cosa portò alla rottura della simmetria CP, tanto evidente nell'Universo attuale? (o meglio, perché nell'Universo attuale si trova più materia rispetto all'antimateria?).

Il modello inflazionario classico spiega questo fenomeno come causato da fluttuazioni quantistiche nell'inflatone, che originarono un leggero eccesso di materia rispetto all'antimateria.

La separazione delle forze fondamentali

La differenziazione delle quattro interazioni fondamentali avvenuta all'inizio dell'Universo secondo le teorie GUT, è dovuta alle oscillazioni di diverse forme di campi di Higgs. Con le alte temperature, i bosoni di Higgs oscillavano sul potenziale a sombrero prima di stabilirsi su un punto energetico fisso. La separazione della gravità dall'insieme delle altre forze più intense, che prende il nome di "forza unificata", avvenne con un meccanismo non ancora ipotizzato. La separazione della forza forte dalla forza elettrodebole avvenne a causa di oscillazioni di un campo di Higgs particolare, il campo di Higgs forte, contemporaneamente all'inflazione. La separazione fra la forza debole e quella elettromagnetica, infine, fu causata dall'oscillazione del campo di Higgs elettrodebole (quello responsabile della massa delle particelle). La temperatura necessaria alla separazione di ciascuna interazione sono, rispettivamente, per le tre forze più intense, 10²⁷ kelvin (10 seguito da 27 zeri, pari ad un miliardo di miliardi di miliardi di gradi Celsius) per la forza forte, e, per l'interazione elettrodebole, 10¹⁵kelvin (pari ad un milione di miliardi di gradi Celsius). Con il drastico calo delle temperature che accompagnava l'espansione dell'Universo, le forze fondamentali, o, più precisamente, i rispettivi campi di Higgs, si "congelarono" rimanendo immutate fino all'Universo attuale.

forza nucleare forte

forza elettromagnetica forza nucleare debole

Forza di gravità

Adrone

In fisica, un adrone (dal greco adrós, forte) è una particella subatomica soggetta alla forza nucleare forte. Non è una particella fondamentale, bensì è a sua volta composta da quark e antiquark, e gluoni. Questi ultimi sono responsabili della forza cromodinamica che lega i quark gli uni agli altri. La famiglia degli adroni è ulteriormente suddivisa in 2 sottogruppi:

barioni: formati da tre quark, come i protoni e i neutroni;
mesoni: formati da coppie quark/antiquark, come i pioni e i kaoni.

Barione

In fisica, in particolare nella fisica delle particelle, i barioni sono una famiglia di particelle composte costituite da tre quark, il termine barione deriva dal greco βαρύς (barys), che significa "pesante". Poiché i barioni sono composti da quark, essi partecipano all'interazione forte, mentre i leptoni, non essendo composti da quark non partecipano all'interazione forte. I barioni più conosciuti sono i protoni e i neutroni, che costituiscono la maggior parte della massa della materia visibile nell'universo, mentre gli elettroni (l'altro componente maggiore degli atomi) sono leptoni. In cosmologia si distingue spesso fra materia barionica e non barionica. Col primo termine ci si riferisce a tutta la materia che conosciamo normalmente, costituita essenzialmente di protoni, neutroni ed elettroni, mentre col secondo si indica tutta quella materia (ad es. i neutrini) che non è composta da barioni: in particolare la cosiddetta materia oscura è quasi sicuramente una forma di materia non barionica.

Bosone

In fisica quantistica i bosoni, così chiamati in onore del fisico indiano S. Nath Bose, sono una delle due classi fondamentali in cui si dividono le particelle: i bosoni e i fermioni. I fermioni si distinguono dai bosoni per il fatto che mentre i primi obbediscono al principio di esclusione di Pauli:

un singolo stato quantico non può essere occupato da più di un fermione

i bosoni sono liberi d'affollare in gran numero uno stesso stato quantico. La luce laser ne è un caso specifico relativo ai fotoni. Esiste un teorema, il teorema spin-statistica che lega lo spin delle particelle alla statistica alla quale esse devono obbedire. La tesi del teorema enuncia che particelle a spin intero sono necessariamente bosoni mentre quelle a spin semi-intero sono necessariamente fermioni.

Le quattro forze fondamentali della natura sono mediate da bosoni elementari, ovvero, l'effetto della forza viene spiegato come dovuto allo scambio fra due corpi di bosoni mediatori della forza:

l'elettromagnetismo è mediato dai fotoni, bosoni di spin pari a 1 senza carica né massa a riposo;
la forza nucleare debole è mediata dai bosoni W e Z, di spin pari ad 1, la cui carica è unitaria per i W (+1 o -1) mentre gli Z sono privi di carica. I W possiedono massa a riposo di 81 GeV mentre il bosone Z ha una massa a riposo di 93 GeV.
la forza nucleare forte è mediata dai gluoni, bosoni di spin pari a 1 senza carica elettrica né massa a riposo;
la gravità è mediata da gravitoni, bosoni di spin pari a 2 la cui carica e massa a riposo sono nulle;

Tali particelle sono a tutti gli effetti da considerarsi i "quanti" delle interazioni fondamentali, cioè i mediatori delle rispettive forze; L'interazione gravitazionale peraltro non è ancora stata "quantizzata" ed esistenza e natura del relativo quanto, il gravitone appunto, è ancora oggetto di studio. Il neutrone e il protone non sono particelle fondamentali, bensì composte da tre quark; in particolare il neutrone è formato da due quark down e un quark up (ddu) e il protone da due quark up e un quark down (uud).

Bosoni W e Z

I bosoni W e Z sono bosoni vettori, ovvero particelle elementari mediatrici della forza nucleare debole. Esistono due tipi di bosone W, uno con carica elettrica +1 e l'altro con carica -1 (in unità di carica elettrica elementare), e sono l'uno l'antiparticella dell'altro. Il bosone Z o (Z⁰) è neutro. Tutti e tre i bosoni sono molto massivi (circa 100 volte più del protone) e hanno una vita media breve (3x10^-25 s). L'introduzione dei bosoni W e Z nelle teorie fisiche discende dal tentativo di costruire un modello per descrivere l'interazione debole che fosse simile all'efficace teoria dell'elettrodinamica quantistica, sviluppata negli anni’ 50 per rendere conto dei processi elettromagnetici. Il culmine di questo sforzo si ha alla fine degli anni ‘70, quando Glashow, Weinberg e Salam propongono la teoria elettrodebole, che vede unificate in un'unica interazione la forza debole e quella elettromagnetica. Tale teoria, oltre a prevedere i bosoni W per mediare il decadimento beta, postulava un secondo bosone vettore, lo Z e altresì l'esistenza di un'ulteriore particella, il bosone di Higgs. L'osservazione diretta dei bosoni W e Z è stata possibile solo in seguito alla costruzione di acceleratori abbastanza potenti da produrre queste particelle così massive. Il primo segnale di W si ebbe nel gennaio del 1983 grazie all'utilizzo dell'acceleratore SPS (Super Proton Synchrotron) del CERN durante gli esperimenti UA1 (condotto da Carlo Rubbia) e UA2, realizzati grazie agli sforzi di una grande collaborazione di scienziati. Pochi mesi più tardi avvenne l'osservazione di Z. Gli esperimenti condotti utilizzando il collisore LHC sono anche alla ricerca del bosone di Higgs. Un risultato molto importante che si ricava studiando i decadimenti del bosone Z è che esistono solo tre famiglie di neutrini con massa minore di m_Z/2 e perciò molto probabilmente vi sono solo tre famiglie di fermioni fondamentali:

elettrone, neutrino elettronico, quark up, quark down;
muone, neutrino muonico, quark strange, quark charm;
tau, neutrino tauonico, quark bottom (o beauty), quark top (o truth).

LHC ( Large Hadron Collider ) – CERN - Ginevra

Bosone di Higgs

Il bosone di Higgs è una ipotetica particella elementare, massiva, scalare, prevista dal modello standard della fisica delle particelle. Essa giocherebbe un ruolo fondamentale: la teoria la indica come portatrice di forza del campo di Higgs, , che si ritiene permei l'universo. Il campo di Higgs, conferirebbe la massa alle particelle. L'importanza del bosone di Higgs nel modello standard è anche dovuta al fatto che esso può garantirne la consistenza. Esso sarebbe dotato di massa propria. La teoria dà dei limiti compresi circa tra 120 e 200 GeV (≈3,5×10^-25 kg). Al 2002 gli acceleratori di particelle hanno raggiunto energie fino a 115 GeV. Benché un piccolo numero di eventi che sono stati registrati potrebbero essere interpretati come dovuti ai bosoni di Higgs, le prove a disposizione sono ancora inconcludenti. Ci si aspetta che LHC, la cui prima accensione è avvenuta il 10 settembre 2008, sia in grado di confermare l'ipotetica esistenza di tali bosoni.

*Bosone di Higgs*
Composizione:	Particella elementare
Famiglia:	Bosone
Interazione:	Gravità, Debole
Status:	ipotetica
Teorizzata:	P. Higgs, F. Englert, R. Brout, G. Guralnik, C.R. Hagen, T. Kibble (1964)
Simbolo:	H⁰)
Massa:	sconosciuta
Carica elettrica:	0
Spin:	0

Il 30 marzo 2010 LHC, ha raggiunto la potenza massima mai toccata, ad un passo dal ricreare, nella collisione di due fasci di protoni, le stesse condizioni del Big Bang: nei suoi 27 chilometri ha infatti raggiunto l'energia di 7.000 miliardi di elettrovolt (7 TeV). L'acceleratore piu' potente del mondo, il Large Hadron Collider (Lhc) del Cern di Ginevra, ha 'creato' la materia primordiale, che e' esistita solo nei primi istanti dopo il Big Bang da cui e' nato l'Universo. Uno dei quattro grandi esperimenti dell'acceleratore, Atlas, ha osservato che le collisioni di ioni di piombo avvenute a temperature altissime hanno prodotto uno stato della materia mai osservato finora: una 'zuppa' primordiale nella quale le particelle normalmente imprigionate nei nuclei (quark e gluoni) galleggiano liberamente. Per il direttore scientifico del Cern, Sergio Bertolucci, ''e' davvero impressionante la rapidita' con la quale gli esperimenti sono arrivati a questi risultati, relativi ad una fisica davvero molto complessa''. In questo momento i dati che si stanno raccogliendo al Cern sono tali che '' gli esperimenti sono in gara per chi arriva a pubblicare per primo, ma nello stesso tempo c'e' una forte collaborazione per assemblare i loro risultati in un unico quadro. E' un bellissimo esempio di come competizione e collaborazione siano il futuro della ricerca''. Scoprire la materia primitiva e' proprio l'obiettivo di Atlas, l'esperimento alla guida del quale c'e' l'italiana Fabiola Gianotti e dove l'Italia e' rappresentata attraverso l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn) da Leonardo Rossi. Oggi e' stato quindi un traguardo per questo esperimento ottenere la materia allo stato primitivo.

Le collisioni di ioni piombo hanno permesso di ottenere condizioni estreme di pressione e temperatura della materia confrontabili solo a quelle esistite nei primi microsecondi dopo il Big Bang, quando l'universo era piu' denso di un nucleo atomico e caldo decine di migliaia di miliardi di gradi. In questo ambiente i nuclei della materia si sono ''sciolti'' e i quark e i gluoni si sono liberati in un plasma (chiamato Qpg, che sta per Quark Gluon Plasma). Misurare la densita' della materia primitiva e' stato possibile perche', insieme ad essa, le collisioni hanno prodotto (come era prevedibile) anche due quark o due gluoni molto ricchi di energia, che a loro volta danno origine a due getti di particelle che si propagano in direzioni opposte e che, per le loro caratteristiche, permettono di determinare la densita' del mezzo attraverso cui si propagano.

Fermione

In meccanica quantistica i fermioni, così chiamati in onore del fisico italiano Enrico Fermi, sono una delle due classi fondamentali in cui si dividono le particelle: i fermioni e i bosoni. I fermioni si distinguono dai bosoni per il fatto di avere spin semi-intero e di obbedire al principio di esclusione di Pauli, secondo il quale:

un singolo stato quantico non può essere occupato da più di un fermione,

mentre i bosoni, al contrario, sono liberi di affollare in gran numero uno stesso stato quantico. Un'altra differenza è che i fermioni hanno sempre massa, almeno nell'universo reale, mentre i bosoni più spesso ne sono privi. I fermioni elementari conosciuti si dividono in due gruppi: quark (che costituiscono i protoni e i neutroni) e leptoni (come gli elettroni).

Fotone

Il fotone (dal greco φῶς gen. φωτός "phòs, photòs" che significa luce) è una particella elementare secondo il modello standard, quanto della radiazione elettromagnetica e mediatore dell'interazione elettromagnetica. Avente massa a riposo nulla, il fotone permette l'azione dell'interazione elettromagnetica a grande distanza, di conseguenza la propagazione del campo elettromagnetico è osservabile su scala macroscopica.

*Fotone*
Fotoni emessi da un laser in un fascio coerente
Composizione:	Particella elementare
Famiglia:	Bosone
Gruppo:	Bosone di gauge
Interazione:	Elettromagnetica
Teorizzata:	Albert Einstein (1905–17)
Simbolo:	γ
Vita media:	Stabile
Carica elettrica:	0
Spin:	1

Gluone

In fisica, i gluoni sono le particelle elementari, responsabili della forza nucleare forte. Essi tengono uniti assieme i quark, per formare gli adroni, ovvero tutte le particelle soggette all`interazione forte, ad esempio i protoni e neutroni; la loro carica elettrica è zero, il loro spin è 1 (sono bosoni vettori) e generalmente si assume che abbiano massa zero. I gluoni sono responsabili della stabilità del nucleo atomico. Il termine deriva dall'inglese glue (colla), in quanto tengono "incollate" altre particelle.

*Gluone*
Composizione:	Particella elementare
Famiglia:	Bosone
Gruppo:	Bosone di gauge
Interazione:	Interazione forte
Simbolo:	g
Num. tipi:	8
Massa:	0 MeV/c2 (Valore teorico) <20 MeV/c2 (Limite sperimentale)
Carica elettrica:	0
Carica di colore:	non zero
Spin:	1
Num. di stati di spin:	2

Gravitone

Il gravitone è una particella elementare ipotetica, responsabile della trasmissione della forza di gravità nei sistemi di gravità quantistica. Questa particella è prevista in diversi modelli teorici che mirano ad unificare i fenomeni gravitazionali con quelli quantistici. La sua esistenza non è ancora stata sperimentalmente verificata. Nella teoria quantistica, queste caratteristiche definiscono un bosone con spin pari (2 in questo caso) e massa a riposo pari a zero.

Leptone

Un leptone è una particella subatomica che ad oggi si ritiene sia puntiforme, quindi fondamentale, cioè non composta da altre particelle (al contrario degli adroni che sono composti da quark). I leptoni sono suddivisi in tre famiglie: gli elettroni, i muoni ed i tauoni; ad ognuna di queste è associato un particolare neutrino.

elettrone e e neutrino ν_e
muone μ e neutrino ν_μ
tauone τ e neutrino ν_τ

Tutti i leptoni noti sono della famiglia dei fermioni, poiché hanno tutti spin 1/2 inoltre hanno tutti carica. Ci sono sei tipi di leptoni: tre con carica negativa e tre neutra. L'elettrone, il muone e il tauone si differenziano per la loro massa. Nel 1998 presso l'osservatorio Super-Kamiokande in Giappone è stato mostrato che i neutrini hanno massa diversa da zero (da 100.000 a 1 milione di volte inferiore a quella dell'elettrone).

Tabella dei leptoni

Nome	Carica elettrica	Massa (GeV)
Elettrone	–1	0,000511
Neutrino elettronico	0	< 2,2 • 10^-10
Muone	–1	0,1056
Neutrino muonico	0	< 1,7 • 10^-4
Tauone	–1	1,777
Neutrino Tau	0	< 0,0155

Tabella di riepilogo

	e ⁻ ,ν_e	$e^+, {\overline{\nu}}_{e}$	μ ⁻ ,ν_μ	$\mu^+, \bar{\nu}_{\mu}$	τ ⁻ ,ν_τ	$\tau^+, \bar{\nu}_{\tau}$
L_e	1	-1	0	0	0	0
L_μ	0	0	1	-1	0	0
L_τ	0	0	0	0	1	-1

Mesone

In fisica, in particolare in fisica delle particelle, con il nome di mesone si indica una famiglia di particelle subatomiche instabili composte da un quark e un antiquark. I mesoni fanno parte della famiglia degli adroni – particelle fatte di quark. Gli altri membri della famiglia adronica sono i barioni – particelle subatomiche composte di tre quark. La principale differenza tra mesoni e barioni è che i mesoni hanno spin intero (perciò sono bosoni) mentre i barioni sono fermioni (spin 1/2). Dato che i mesoni sono bosoni, il principio di esclusione di Pauli non si applica ad essi. Di conseguenza, essi possono agire come particelle che mediano la forza a brevi distanze, e quindi svolgere un ruolo nei processi come l'interazione nucleare.

Quark

In fisica delle particelle, un quark è un fermione elementare che partecipa all'interazione forte. In natura i quark non si trovano mai in isolamento, ma solo uniti in particelle composte dette adroni, come per esempio il protone e il neutrone. La teoria dei quark venne avanzata per la prima volta nel 1964 dai fisici statunitensi Murray Gell-Mann George Zweig, che ipotizzarono di poter spiegare le proprietà di molte particelle considerandole composte da quark elementari

*Quark*
Un protone, composto di due quark up e un quark down
Composizione:	Particella elementare
Famiglia:	Fermione
Generazione:	1^a, 2^a, 3^a
Interazione:	Elettromagnetismo, Gravitazione, Forte, Debole
Antiparticella:	Antiquark ( $\bar{\mathrm{q}}$ )
Teorizzata:	Murray Gell-Mann (1964) George Zweig (1964)
Scoperta:	SLAC (~1968)
Simbolo:	q
Num. tipi:	6 (up, down, charm, strange, top e bottom)
Carica di colore:	Si
Spin:	½

La suddivisione delle particelle nel Modello Standard. I sei tipi (o sapori) di quark sono colorati in violetto. Le colonne rappresentano le tre generazioni dei fermioni.

Nome	Carica	Massa stimata (MeV/c²)
Up (u)	+2/3	da 1,5 a 3,3 ¹
Down (d)	-1/3	da 3,5 a 6 ^1[13]
Strange / Sideways (s)	-1/3	da 80 a 130
Charm / Centre (c)	+2/3	da 1.150 a 1.350
Bottom / Beauty (b)	-1/3	da 4.100 a 4.400
Top / Truth (t)	+2/3	173.100 ± 1.300

Antimateria

L'antimateria è un agglomerato di antiparticelle corrispondenti alle particelle che costituiscono le materie ordinarie. Ad esempio, un atomo di antidrogeno è composto da un antiprotone caricato negativamente, attorno al quale orbita un positrone (antielettrone) caricato positivamente. Se particella ed antiparticella vengono a contatto, le due si annichiliscono emettendo radiazione elettromagnetica. La prima seria ipotesi dell'esistenza dell'Antimateria fu ad opera del fisico Paul Dirac nel 1928 che dedusse l'esistenza di un' antiparticella dell'elettrone, dotata di carica positiva, quale risultato della soluzione dell'equazione di Schrödinger. Nel 1932 Carl David Anderson diede la conferma sperimentale dell'esistenza dell'antielettrone e lo chiamò positrone, contrazione di "positive electron". Nel 1959 i fisici Emilio Segrè e Owen Chamberlain scoprirono l'antiprotone e grazie a questa scoperta ricevettero il premio Nobel. Nel 1965 al CERN di Ginevra con l'acceleratore di particelle PS (protosincrotone) il gruppo di ricerca condotto dal fisico italiano Antonino Zichichi scopre il primo nucleo di antimateria, e cioè un nucleo di antideuterio contemporaneamente a un gruppo del Laboratorio Nazionale di Brookhaven a New York con l' AGS (Alternating Gradient Synchroton).

Annichilimento e Big Bang

L'antimateria ha vita breve e non può essere immagazzinata, in quanto si annichila al primo contatto con la materia. In base alle attuali conoscenze, non esistono quantità significative di antimateria in tutto l'universo, con l'eccezione dei piccolissimi quantitativi generati nei laboratori di fisica delle particelle presenti sul nostro pianeta, e nei processi astronomici più energetici.

Nella teoria del Big Bang, nell'universo iniziale materia e antimateria dovevano essere presenti in proporzioni uguali e di conseguenza dovettero dare luogo ad un immediato processo di annichilazione che avrebbe dovuto fare scomparire l'intero universo neoformato. Poiché questo non corrisponde alla realtà che osserviamo, si ritiene che un leggero squilibrio in favore della materia (noto come violazione della simmetria CP ) ha fatto sì che quest'ultima non venisse completamente annichilita, rendendo possibile la formazione dell' universo in cui viviamo attraverso il processo della bariogenesi. Nuovi e più dettagliati sviluppi su questi aspetti, che coinvolgono le alte energie in gioco nei primi istanti dell'universo primordiale, sono attesi dagli esperimenti programmati al CERN di Ginevra.

Decadimento del protone

Il decadimento del protone è un fenomeno non ancora osservato, ma previsto da alcuni modelli teorici della teoria della grande unificazione. In base alle conoscenze attuali di fisica delle particelle il protone è una particella stabile. cioè non decade in altre particelle. Questo è dovuto alla conservazione del numero barionico nei processi elementari. Infatti il barione più leggero è proprio il protone. Tuttavia, alcuni modelli teorici della GUT, come il modello di Georgi–Glashow o il monopolo magnetico, prevedono processi di non conservazione del numero barionico, tra cui il decadimento del protone. Quindi analizzando il decadimento protonico si ricaverebbero informazioni sulla GUT. Per questo motivo sono attivi esperimenti per misurare la vita media del protone. Tale evento, però, se esiste è assai difficle da osservare e richiede apparati molto grandi e complessi. Attualmente esistono solo limiti sperimentali per i diversi canali di decadimento, tutti molto maggiori della vita media dell'universo. Ad esempio, uno dei canali di decadimento maggiormente studiato è il seguente: p → e⁺ + π⁰ con un limite inferiore per la vita media parziale pari a 1,6 · 10³³ anni, cioè superiore all'età dell'universo