Il Modello Standard

E' la teoria base della fisica, ma la chiamano semplicemente Modello Standard.
Tutta la materia esistente e tutte le forze della natura derivano da una ventina di particelle: sono loro i veri mattoni della realta'.

Le particelle elementari

La realta' nella quale viviamo e' compasta da 18 sole particelle (che si uniscono nei modi piu' diversi per dare forma a tutto). 12 sono i mattoni che compongono la materia; le altre 6 producono le forze che sulla materia agiscono, dandole forma. Sono le particelle piu' piccole in assoluto, anche se in alcuni casi hanno massa elevata, perche' non si possono ulteriormente suddividere. Questo afferma il Modello Standard, uno schema (introdotto negli anni '60) che ha avuto un enorme successo: ha previsto infatti l'esistenza di molte particelle elementari, allora sconosciute, che sono state tutte (o quasi) scoperte nei successivi 40 anni.

Nel cuore dell'atomo

Che la materia fosse composta di corpuscoli lo sospettavano anche gl antichi Greci, ma la prima particella tomica fu individuata nel 1897 dal fisico Sir Joseph John Tomson. Era l'elettrone. In seguito, fu scoperta una fola di altre particelle, e ci si pose il problema di capire quali fossero le piu' iccole di tutte, cioe' i mattoni fondamentali della realta'. Si scopri', per esempio, che gli atomi erano composti da un piccolissimo nucleo circondato da una nube di elettroni. E che il nucleo era a sua volta composto da protoni e neutroni. All'inizio si penso' che questi ultimi fossero "elementari", poi si scopri' che erano composti da altre particelle: i quark. E secondo il Modello Standard sono questi i veri mattoni del nucleo atomico. Tuttavia, nelle condizioni normali di pressione e temperatura, i quark non possono esistere isolati, ma sono sempre "incollati" tra loro in coppie o terzetti da una forza chiamata (perche molto potente) forza nucleare forte.

Particella fantasma

Il nostro mondo e' dunque composto da quark ed elettroni, esistono pero', anche altre particelle elementari. Nel 1931, il fisico austriaco Wolfang Pauli, noto' che le reazioni nucleari allora conosciute, si potevano spiegare con precisione soltanto ammettendoo l'esistenza di una particella allora sconosciuta: il neutrino, che fu osservato sperimentalmente nel 1956 dai fisico statunitensi Frederick Reines e Clyde Lorrain Cowan. I neutrini ci sono poco familiari perche' sono particelle "fantasma": sono leggerissimi, velocissimi e attraversano imperturbati (o quasi) tutta la Terra, tanto che e' molto arduo misurarli. Nel 1936, quando i neutrini erano ancora un'ipotesi teorica, i fisici Seth Neddermeyer e Carl Anderson scoprirono un'altra particella, il muone, simile all'elettrone, ma con massa oltre 200 volte maggiore. In piu' e' instabile, pur essendo una particella elementare, si trasforma spontaneamente in altre particelle. Cio' avviene grazie ad altre particelle elementari, in particolare quelle chiamate Z e W che trasmettono la forza nucleare debole.

Le tre famiglie della materia

Via via che i fisici trovarono nuove particelle elementari, le incasellavano in una tabella che assomigliava per certi aspetti ad una tavola periodica. La prima riga o "famiglia" conteneva l'elettrone, un neutrino detto neutrino elettronico e due qurk detti up e down: i mattoni fondamentali della materia che si trovano sulla Terra e nell'Universo. La seconda riga conteneva invece particelle simili a quelle della prima famiglia, ma piu' pesanti e instabili: il muone, il neutrino muonico e altri due tipi di quark: strange e charm. C'era infine una terza ed ultima famiglia composta da particelle ancora piu' pesanti e instabili. Quelle delle ultime due famiglie non danno origine a nessun oggetto a noi familiare, ma si pensa che siano stabili all'interno di alcune stelle.

Conferme recenti

Tutte queste particelle sono state generate (e quindi la loro esistenza e' stata confermata) negli acceleratori di particelle. Il neutrino tau, cioe' il neutrino della terza famiglia, e' stato osservato soltanto nel 2000, al Fermilab di Chicago. Sempre dallo stesso laboratorio, nel 1995 era stato annunciato un altro importante successo: l'osservazione del quark top, che, con una massa pari a oltre 300 mila volte quella dell'elettrone, e' la particella piu' pesante tra le particelle elementari.

Particelle speculari

Oltre alle particelle che compongono la materia ordinaria, il Modello Standard include anche le antiparticelle che compongono l'antimateria, questa e' rarissima in natura, perche' appena incontra la materia si annichila (cioe' si distrugge) generando energia. Tuttavia, le antiparticelle si formano nel corso delle reazioni nucleari che avvengono nelle sostanze radioattive o nelle stelle e si possono anche generare, per brevissimi istanti, negli acceleratori di particelle. L'antimateria e', in un certo senso, speculare alla materia: si pensa, infatti, che le antiparticelle abbiano la stessa massa delle particelle e carica elettrica opposta. Le prime a essere scoperte, nel 1932, furono gli antielettroni o positroni, che erano stati ipotizzati dal fisico teorico Paul Dirac soltanto due anni prima.

La storia

Questa teoria e' frutto del lavoro di molti scienziati, ecco quali:

Albert Einstein 1905		Pubblica la teoria della relativita' ristretta, che rivoluziona la fisica.
Erwin Schrodinger 1926		Scopre che gli elettroni si comportano come minuscole onde.
Paul Dirac 1930		Unificando la teoria di Einstein e Schrodinger, prevede l'antielettrone.
Carl Anderson 1936		Scopre la particella muone insieme a Seth Neddermeyer.
Murray Gell-Mann 1964		Ipotizza l'esistenza del quark, poi dimostrata nel 1968 a Stanford.
Steven Weinberg 1967		Insieme a Abdus Salam, formula la teoria della forza elettrodebole.
Martin Perl 1975		Scopre il leptone tau, la prima tra le particelle della terza famiglia.
Leon Lederman 1977		Contribuisce a scoprire il qurk bottom e altre particelle.
Carlo Rubbia 1983		Guida il gruppo del Cern che scopre le nuove particelle W e Z.

Le proprieta' delle particelle

Il Modello Standard riassume tutte le nostre conoscenze sulla struttura intima della materia: cio' che e' compreso nel modello e'largamente condiviso dai fisici, mentre cio' che ne e' fuori e' controverso. Il Modello Standard, infatti, a differenza di teorie piu' recenti, e' stato costruito sulla base degli esperimeti che via via si effettuavano con gli acceleratori di particelle. Ed e' per questo che descrive cosi' bene la realta' finora esplorata dai nostri strumenti di misura (anche se non e' perfetto: presenta ancora alcune piccolissime falle che scontentano i fisici). Pur essendo, in questo senso, molto concreto, il Modello Standard, pero', descrive un mondo astratto e diversissimo da quello della nostra esperienza quotidiana. Cosi', per presentarlo in termini piu' intuitivi, gli stessi scienziati ricorrono a espressioni pittoresche.

Il sapore

Le particelle elementari sono classificate in base al loro sapore, ovviamente nessuno penserebbe di assaggiarle; per sapore i fisici intendono soltanto il tipo di particella, e quindi le sue proprieta' e il suo comportamento. Un elettrone, per esempio, ha un sapore diverso da un neutrino. Questa distinzione e' utile soprattutto per descrivere i processi in cui le particelle elementari si trasformano le une nelle altre per mezzo della forza nucleare debole: le particelle delle famiglie superiori, per esempio si trasformano spontaneamente (sulla Terra) in particelle della prima famiglia.

La carica elettrica

Un'altra proprieta' importante delle particelle elementari e' la carica elettrica, che si manifesta a noi esseri umani in circostanze di solito poco piacevoli: quando prendiamo la scossa o quando vediamo un fulmine abbattersi al suolo. Anche la corrente elettrica e' costituita da cariche elettriche in movimento: e' un fiume invisibile di particelle, troppo piccole per essere percepite. Le cariche elettriche sono dappertutto nel mondo microscopico. E tutte le particelle hanno cariche ben precise: ogni elettrone, per esempio, ha la stessa carica, e tutti i protoni (composti da 3 quark) hanno carica uguale e opposta a quella degli elettroni. E' per questo che, anche anche se siamo composti da tantissime particelle cariche, non ce ne accorgiamo: di solito le particelle con carica positiva eguagliano quelle con carica negativa, neutralizzandosi a vicenda.

Il colore

Le particelle elementari oltre alla carica elettrica, possono avere anche un altro tipo di carica, talmente diversa da quella elettrica da non avere un equivalente nella nostra esperienza. Questa carica puo' avere 3 valori diversi, che si annullano se sommati tra loro, proprio come una carica negativa piu' una positiva danno carica zero. Nel mondo di tutti i giorni c'e' una proprieta' che puo' dare somma zero a partire da 3 valori diversi: il colore. Infatti, sommando rosso, verde e blu, si ottiene il bianco, come ben sa che progetta televisori. Cosi' gli scienziati hanno chiamato questa carica, colore. Nei protoni e nei neutroni c'e' un quark rosso, uno verde e uno blu: messi insieme, danno il bianco, ovvero un colore neutro, che garantisce la stabilita' delle particelle.

Lo spin

Un'altra proprieta' del mondo microscopico e' lo spin, tutte le particelle ne hanno uno (che puo' anche valere zero) e questo ci consente di paragonarle a trottole in perenne movimento. A differenza delle trottole vere, che si fermano dopo pochi giri a causa dell'attrito, pero', le particelle elementari ruotano sempre con la stessa velocita', all'infinito. L'unico modo di disturbarle e' quello di cambiarne l'asse di rotazione. Come se l'unico risultato ottenibile dando un calcio a una trottola fosse quella di farla ruotare ancora, sempre alla stessa velocita' ma capovolta.

Il magnetismo

Ogni particella, infine, si comporta come un magnetino, che punta nella stessa direzione dell'asse di rotazione dello spin. Anche questa e' una proprieta' astratta, ma con una consequenza concreta: il campo magnetico di una calamita, per esempio, e' generato dallo spin delle particelle che lo compongono. E snza lo spin, non funzionerebbero nemmeno le bande magnetiche dei bancomant e delle carte di credito. Anche se e' conosciuto da millenni, infatti, il magnetismo e' stato spiegato interamente soltanto nell'ultimo secolo, proprio grazie a queste teorie che descrivono il misterioso mondo atomico.

La particella di Dio

La sua esistenza serve a giustificare il fatto che tutte le altre particelle hanno una massa.
Tutta la struttura del Modello Standard si basa sull'esistenza di una particella il bosone di Higgs, che non e' stata ancora osservata. Ma la sua importanza e' tale che il fisico e premio Nobel Leon Max Lederman l'ha chiamata "la particella di Dio" e le ha dedicato un libro.
A ipotizzarla fu il fisico britannico Peter Ware Higgs, per spiegare il fatto che le particelle sono dotate di massa. Il bosone di Higgs, infatti, e' associato a un "campo", simile al campo gravitazionale, ma di natura diversa: il campo di Higgs. Le varie particelle, interagendo con questo campo, acquistano inerzia e quindi massa (e peso). Anzi, quanto piu' una particella interagisce com il campo di Higgs, tanto maggiore e' la sua massa.
Si ritiene che gli attuali acceleratori siano in grado di produrre il bosone di Higgs e qualcuno sospetta che sia stato gia' generato (ma non riconosciuto). A sciogliere ogni dubbio sara' probabilmente l'acceleratore Lhc, in costruzione a Ginevra.

Le 4 forze della natura

Oltre alle particelle fondamentali che costituiscono la materia, il Modello Standard classifica anche le forze con le quali queste particelle interagiscono. Secondo la teoria, infatti, forze come la gravita' e il magnetismo non si esercitano per mezzo di campi astratti e immateriali, come il campo gravitazionale che si studia anche a scuola, ma per mezzo di particelle messaggere, che si chiamano otoni, glauconi, gravitoni... un po' come farebbero due persone che si lanciano una palla: nel momento del lancio e della ricezione, infatti, entrambi i giocatori ricevono una spinta e quindi riescono a scambiarsi una forza a distanza.

La forza elettromagnetica

Le particelle che trasmettono le forze elettriche e magnetiche, per esempio, sono i fotoni, cioe' lo stesso tipo di particelle che costituiscono la luce. Quando due calamite si attirano, per esempio, lo fanno scambiandosi un'enprme quantita' di fotoni. Ma perche', allora, due calamite vicine non s'illuminano? Perche' i fotoni che trasmettono le forze elettromagnetice sono un po' diversi da quelli luminosi: hanno una frequenza diversa e soprattutto sono "virtuali", cioe' non possono essere misurati direttamente ed esistono soltanto per brevissimo tempo necessario allo scambio dell'interazione.

La forza nucleare forte

Oltre alle forze elettriche e magnetiche, il Modello Standard include due forze nucleari: la forza nucleare debole e la forza nucleare forte. Entrambe agiscono su distanze piccolissime, e sono attive soltanto all'interno del nucleo atomico. E' quindi impossibile sperimentarle direttamente nella vita quotidiana. La forza nucleare forte e' quella che tiene uniti i nuclei atomici ed e' trasmessa da particelle dette gluoni, dall'inglese glue che vuold dire colla. La loro funzione, infatti, e' quella di incollare i quark a 3 a 3, per formare protoni e neutroni, i quali, a loro volta, si uniscono (sempre grazie alla forza forte) per formare i nuclei atomici. La forza nucleare forte agisce sulle carche di colore dei quark. E a ogni combinazione cromatica, corrisponde un particolare gluone: in totale le combinazioni sono trasmesse da otto tipi di gluoni diversi.

La forza nucleare debole

Dentro i nuclei atomici, c'e' anche un'altra forza, che fu scoperta negli anni Trenta soprattutto grazie al fisico italiano Enrico Fermi: la forza nucleare debole. A differenza delle altre interazioni, il suo effetto non e' quello di generare un'attrazione o una repulsione, bensi' quello di modificare la materia. Cioe' di trasformare le particelle le une nelle altre, o, come dicono i fisici, di modificarne il loro "sapore". La forza nucleare debole, infatti, e' responsabile di alcuni tipi di decadimento radioattivo e di reazioni nucleari che si sviluppano nel cuore del Sole e delle stelle. Agisce per mezzo di particelle che hanno nomi ben poco pittoreschi: Z e W, chiamate anche "luce pesante", perche' hanno una natura simile a quella dei fotoni. Osservarle, pero', non e' facile. La dimostrazione sperimentale della loro esistenza giunse soltanto nel 1983, grazie a un gruppo del Cern di Ginevra guidato da un altro fisico italiano, Carlo Rubbia. Questa scoperta fu una prova importante della teoria alla base del Modello Standard e dimostro', tra l'altro, che la forza nucleare debole e la forza elettromagnetica hanno la stessa natura: a temperature elevatissime, dimostrano di essere solo due aspetti diversi di un'unica forza chiamata elettrodebole.

La forza gravitazionale

Per completare il quadro delle quattro forze fondamentali conosciute, mancherebbe la gravita'. Purtroppo pero', il Modello Standard non include questa forza, perche' non esiste ancora una teoria capace di descrivere la gravita' con la stessa matematica usata per le altre. Si suppone, per analogia, che la gravita' sia trasportata da una particella all'altra grazie alla particella chiamata gravitone... peccato pero' che nessuno l'abbia ancora osservata. Uno dei problemi principali e' che la gravita' e' enormemente meno intensa delle altre forze (miliardi di miliardi di miliardi di miliardi di volte), per cui i fisici non riescono a studiarla all'interno degli acceleratori di particelle. Anche se e' forse quella che ci e' piu' familiare nella vita quotidiana, perche', oltre a far girare i pianeti, e' all'origine di un fenomeno fisico al quale prestiamo tutti la massima attenzione: il peso.

Limiti del Modello Standard

E' il migliore schema teorico che abbiamo, e inquadra in un'unica visione tutta la realta': dalle particelle che la compongono (comprese quelle instabili create negli acceleratori di particelle) alle forze che le danno forma. Eppure il Modello Standard non soddisfa i fisici. Lo considerano un utile schema teorico, ma sono sicuri che non sia completo.
I difetti di questa teoria sono molteplici. Per esempio, non spiega perche' ci sono tre e solo tre famiglie di particelle, ne' garantisce il fatto che queste particelle siano veramente "elementari" (potrebbero essere composte da altre entita').
Non descrive il comportamento della materia nelle condizioni piu' estreme che si verificano nell'universo. E, soprattutto, non e' in grado di spiegare la forza di gravita'. Per risolvere questi problemi, alcuni stanno tentando di formulare una "teoria del tutto" che descriva la gravita' insieme alle altre forze e particelle fondamentali e possa quindi descrivere tanto il cosmo quanto il mondo microscopico.
Qualche esempio? La "teoria delle stringhe", secondo la quale tutte le particelle, compresi i gravitoni, corrispondono a diversi modi di vibrare di minuscoli fili. Oppure la "loop quantum gravity", che tenta di risolvere i problemi teorici ammettendo che lo spazio e il tempo, cosi' come la materia, abbiano natura granulare.
Tutte le teorie che avventurano oltre il MOdello Standard, pero', sono difficili da verificare e possono contare soltanto su indizi sperimentali minimi. Per esempio, il magnetismo dei muoni. Da anni e' oggetto di studio, perche' sembrerebbe essere maggiore di quanto previsto dal MOdello Standard. L'anomalia, pero', e' davvero minima, pari ad appena quattro parti su un miliardo. Potrebbe essere uno dei primi segnali di una nuova teoria, ma di certo non una prova inconfutabile.

Dentro gli atomi

Tutti gli atomi sono composti da tre particelle elementari: gli elettroni e due tipi di quark (up e down). Un atomo è un milione di volte più piccolo del diametro di un capello. E' così piccolo che le sue dimensioni si indicano in notazione esponenziale: 10-e8 cm. Le particelle subatomiche sono ancora più piccole, gli elettroni e i quark, che sono le più piccole di tutte, non superano i 10-e18 cm, pari al minimo raggiumgibile dai nostri strumenti di misura.

Le tavole delle particelle elementari

Le 6 particelle che trasmettono le forze

Forza	Nome	Massa	Carica	Spin
Elettromagnetica	Fotone	0	0	1
Nucleare debole	W- W+ Z	80.4 80.4 91.187	-1 +1 0	1 1 1
Nucleare forte	Gluone	0	0	1
Gravitazionale	Gravitone	0	0	2

La massa e' espressa in GeV/c2, unita' pari a 1.79*10e-27 Kg (poco piu' della massa del protone)
La carica elettrica e' espressa in termini della carica dell'elettrone (che e' negativa e vale -1)
Lo spin indica il senso di rotazione della particella su se stessa

In natura esistono quattro forze fondamentali, ognuna trasmessa da una o piu' particelle. Sono state tutte osservate in laboratorio tranne il gravitone.

I 12 mattoni fondamentali della materia

... 6 Leptoni

Famiglia	Sapore	Massa	Carica	Spin
Prima	Neutrino elettronico elettrone	<1*10e-8 0.000511	0 -1	1/2 1/2
Seconda	Neutrino mu muone	<0.0002 0.106	0 -1	1/2 1/2
Terza	Neutrino tau tau	<0.02 1.7771	0 -1	1/2 1/2

A questo gruppo, suddiviso in tre famiglie, appartengono l'elettrone, due particelle instabili simili all'elettrone (muone e tau) e 3 neutrini, particelle leggere e velocissime. Il "sapore" e' il comportamento delle particelle.

... 6 Quark

Famiglia	Sapore	Massa	Carica	Spin
Prima	Up Down	0.003 0.006	2/3 -1/3	1/2 1/2
Seconda	Charm Strange	1.3 0.1	2/3 -1/3	1/2 1/2
Terza	Top Bottom	175 43	2/3 -1/3	1/2 1/2

Anche i quark sono raggruppati in tre famiglie, ciascuna di due elementi, e ogni tipo di quark puo' avere tre "colori" (cariche di colore) diversi: rosso, verde o blu. La prima famiglia e' di gran lunga la piu' diffusa nell'universo

I "grumi" di materia piu' piccoli che esistano

... gruppi di tre quark (Barioni)

Simbolo	Nome	Quark	Carica	Massa	Spin
p	protone	uud	1	0.938	1/2
p-	antiprotone	u-u-d-	-1	0.938	1/2
n	neutrone	udd	0	0.940	1/2
Lambda	Lambda	uds	0	1.116	1/2
Omega	Omega	sss	-1	1.672	3/2

... gruppi di due quark (Mesoni)

Simbolo	Nome	Quark	Carica	Massa	Spin
pi+	pione	ud-	1	0.140	0
k-	kaone	su-	-1	0.494	0
rho+	rho	ud-	1	0.770	1
B0	B-zero	db-	0	5.279	0
eta c	eta-c	cc-	0	2.980	0

Si conoscono attualmente circa 200 particelle subatomiche, dette "adroni" formate da gruppi di due o tre quark. Possono essere di due tipi: barioni e mesoni, composti rispettivamente da tre e da due quark.
Barioni. Al primo gruppo gruppo appartengono protoni e neutroni, che sono particelle stabili dentro i nuclei atomici (i neutroni isolati, invece, si trasformano in protoni, e altre particelle dette "iperioni", che contengono quark delle famiglie superiori.
Mesoni. Il secondo gruppo, invece, contiene i mesoni, coppie composte da un quark e un antiquark (cioe' un quark di antimateria)

Dai quark alle stelle: ecco come le forze fondamentali danno forma al mondo

	Gravitazionale	Nucleare debole	Elettromagnetica	Nucleare forte
Proprieta' sulle quali agisce	massa	sapore	carica elettrica	carica di colore
Particelle interessate	tutte	quark, leptoni	particelle cariche	quark, gluoni
Particelle mediatrici	gravitone	W+ W- Z0	fotone	gluoni (8) e mesoni
Intensita'* (tra protoni vicini)	debolissima (10e-36)	debole (0.000001)	media (1)	forte (20)

* Ponendo uguale a 1 la forza elettromagnetica

Le quattro forze fondamentali danno forma al mondo che conosciamo: se non esistessero, la materia sarebbe un gas informe di particelle. La complessita' dell'universo e' dovuta al fatto che le varie forze agiscono su particelle e su distanze diverse. Le forze nucleari, agiscono solo su distanze ridottissime, all'interno dei nuclei degli atomi. La forza forte e' quella che tiene uniti i nuclei atomici, mentre la forza elettromignetica genera attrazione o repulsione tra gli atomi ed e' responsabile dei legamichimici. La forza di gravita', infine, e' quella che fa nascere stelle e pianeti.

La forza magica che trasforma i neutroni

Le forze della natura si manifestano spesso come attrazione o repulsione fra particelle. Ma la forza nucleare debole, scoperta negli anni '30 (soprattutto grazie a Enrico Fermi), è l'unica capace di trasformare la materia: ecco un esempio.

(Tratto da un articolo pubblicato su "Focus" N.145 - Novembre 2004)