Il Modello Standard della fisica delle particelle

Il Modello Standard è la teoria che descrive tutte le particelle fondamentali conosciute e le forze che agiscono tra di esse (tranne la gravità).

Il Modello Standard afferma che tutta la materia è formata da particelle elementari, organizzate in tre famiglie (o generazioni):

• Quark: up, down, strange, charm, bottom, top.
• Leptoni: elettrone, muone, tau e i tre neutrini corrispondenti.

Inoltre, per ogni particella esiste un'antiparticella con i numeri quantici invertiti. Quindi esistono anche sei antiquark e sei antileptoni.

Nota. Ogni quark può avere, a sua volta, un colore (rosso, verde, blu). Quindi complessivamente ci sono 12 leptoni ( 6 leptoni e 6 antileptoni) e 36 quark (12 quark e antiquark x 3 colori).

A queste si aggiungono i bosoni di gauge, cioè le particelle che mediano le forze:

• fotone (elettromagnetismo)
• gluoni (forza forte), ne sono stati trovati 8.
• bosoni W⁺, W⁻ e Z (forza debole).

I bosoni $ W^+ $, $ W^- $ e $ Z^0 $ furono previsti teoricamente negli anni ’60 da Sheldon Glashow, Abdus Salam e Steven Weinberg, nell’ambito della teoria elettrodebole che unifica forza elettromagnetica e forza debole. 

La scoperta sperimentale arrivò nel 1983 al CERN di Ginevra, quando vennero osservati per la prima volta i bosoni W e Z. Il risultato valse il Premio Nobel per la Fisica 1984 a Carlo Rubbia e Simon van der Meer..

Infine, nel 2012 è stata confermata l’esistenza del bosone di Higgs, che spiega perché molte particelle possiedono massa.

Nota. Complessivamente, il Modello Standard prevede 61 particelle elementari: 48 fermioni (36 quark e 12 leptoni tra particelle e antiparticelle), a cui si aggiungono 13 bosoni mediatori (il fotone, i tre bosoni deboli (W⁺, W⁻ e Z), gli 8 gluoni e il bosone di Higgs).

Quando è nato il modello standard?

Il termine “Modello Standard” cominciò a diffondersi negli anni Settanta, quando la fisica delle particelle raggiunse un quadro teorico coerente e quasi completo.

In quel periodo, grazie agli studi di Murray Gell-Mann e di altri ricercatori, venne completata la classificazione dei quark e si sviluppò la cromodinamica quantistica (QCD), la teoria che descrive la forza forte come risultato dello scambio di gluoni.

Le successive scoperte sperimentali confermarono progressivamente la validità di questo modello, consacrandolo come la descrizione di riferimento delle particelle elementari e delle loro interazioni.

I limiti del modello standard

Oggi il Modello Standard è la teoria più verificata della fisica. 

Tuttavia, non è una teoria definitiva, perché riesce a riunire in un quadro coerente la materia solo tre delle quattro interazioni fondamentali dell’universo:

• forza elettromagnetica, mediata dal fotone
• forza debole, mediata dai bosoni W e Z,
• forza forte, mediata dai gluoni.

Manca la quarta interazione, la gravità non è inclusa: una teoria quantistica della gravità non è stata ancora formulata con successo.

In particolare, il Modello Standard non è compatibile con la relatività generale di Einstein, che descrive la gravità su larga scala.

Inoltre, non spiega la materia oscura e l’energia oscura, non chiarisce perché ci siano proprio tre famiglie di particelle.

Per questo i fisici parlano spesso di una “teoria oltre il Modello Standard” che ancora deve essere trovata.

Nota. Uno degli obiettivi principali della fisica teorica contemporanea è quindi trovare una teoria più ampia, una Teoria del Tutto (Theory of Everything, ToE) capace di unificare il Modello Standard con la relatività e di fornire una visione coerente dell’universo a tutte le scale.

E così via.