Il Modello Standard delle particelle elementari e delle loro interazioni
Il Modello Standard (SM) costituisce il paradigma teorico di riferimento che descrive, attraverso le trasformazioni del gruppo di simmetria SU(3)×SU(2)×U(1), tutte le particelle elementari conosciute e 3 delle 4 interazioni fondamentali della natura che le collegano, infatti per ragioni matematiche non può esservi inclusa l'interazione gravitazionale.
Il Modello Standard è il risultato di un grande sforzo teorico che ha cercato di collegare insieme teorie distinte che da sole spiegavano solo alcune proprietà del mondo fisico, estendendo il concetto di unificazione.
Il Modello Standard è il risultato di un grande sforzo teorico che ha cercato di collegare insieme teorie distinte che da sole spiegavano solo alcune proprietà del mondo fisico, estendendo il concetto di unificazione.
Può risultare utile ripercorrere brevemente la storia dell'unificazione delle interazioni in fisica teorica:
- i fenomeni elettrici e magnetici sono stati unificati dalla teoria elettromagnetica classica di Maxwell che ha portato alla predizione delle onde elettromagnetiche
- con l'avvento della meccanica quantistica è stato successivamente riformulato l'elettromagnetismo classico combinandolo con la relatività ristretta pervenendo alla teoria quantistica di campo chiamata elettrodinamica quantistica (QED)
- la scoperta dei fenomeni nucleari ha condotto da una parte a teorie dell'interazione debole per spiegare alcuni processi di decadimento radioattivo e dall'altra a teorie per rendere conto delle interazioni che tengono uniti i costituenti dei nuclei atomici, ovvero i nucleoni, giungendo alla teoria conosciuta come cromodinamica quantistica (QCD)
- l'unificazione dei fenomeni elettromagnetici e di quelli nucleari deboli ha portato alla teoria unificata elettrodebole che è stata poi confermata sperimentalmente al CERN
Con lo sviluppo degli acceleratori di particelle progettati per effettuare collisioni ad alta energia e anche grazie allo studio dei raggi cosmici
secondari furono scoperte e rivelate una molteplicità di nuove
particelle instabili che rendevano necessario un nuovo schema
semplificativo che le riconducessero a qualcosa di più fondamentale.
A seguito di nuovi apporti teorici e innumerevoli perfezionamenti si è pervenuti infine alla teoria del Modello Standard che prevede l'esistenza di 6 quark e 6 leptoni raggruppati in 3 famiglie e di 12 mediatori delle 3 interazioni fondamentali, più una speciale particella scalare massiva detta "bosone di Higgs".
A seguito di nuovi apporti teorici e innumerevoli perfezionamenti si è pervenuti infine alla teoria del Modello Standard che prevede l'esistenza di 6 quark e 6 leptoni raggruppati in 3 famiglie e di 12 mediatori delle 3 interazioni fondamentali, più una speciale particella scalare massiva detta "bosone di Higgs".
Modello Standard delle particelle elementari e delle forze
Più precisamente, come si può vedere in figura, le prime tre colonne riuniscono le 3 generazioni di fermioni, nelle prime due righe sono presenti i 6 sapori dei quark e nelle due successive i 6 sapori dei leptoni. La IV colonna invece elenca i mediatori dei vari tipi di forza: il fotone per quella elettromagnetica, 8 gluoni per quella di colore e i 3 bosoni Z0, W+ e W- per le quella debole.
Il Modello Standard riesce a descrivere e prevedere lo spettro adronico rappresentato dai barioni e mesoni risultanti dalle possibili combinazioni dei 6 sapori di quark secondo le regole cromodinamiche e inoltre spiega efficacemente il meccanismo di scambio di sapore tra quark-quark, leptone-leptone, quark-leptone mediato dai bosoni vettoriali intermedi. Infatti l'interazione debole tramite i bosoni vettoriali W+ W- e Z0 è responsabile del cambiamento di sapore dei quark e dei leptoni e permette alle particelle elementari della II e III generazione di decadere per convenienza energetica in quelle della I.
Il Modello Standard riesce a descrivere e prevedere lo spettro adronico rappresentato dai barioni e mesoni risultanti dalle possibili combinazioni dei 6 sapori di quark secondo le regole cromodinamiche e inoltre spiega efficacemente il meccanismo di scambio di sapore tra quark-quark, leptone-leptone, quark-leptone mediato dai bosoni vettoriali intermedi. Infatti l'interazione debole tramite i bosoni vettoriali W+ W- e Z0 è responsabile del cambiamento di sapore dei quark e dei leptoni e permette alle particelle elementari della II e III generazione di decadere per convenienza energetica in quelle della I.
Schema delle particelle elementari e delle loro interazioni nel Modello Standard
Il Modello Standard è una "teoria di gauge" non abeliana che prevede che l'interazione tra le cariche di un certo tipo siano trasmesse da particelle intermedie dette bosoni di gauge che sono i quanti del campo generato dalle rispettive cariche e i reali vettori fisici dell'interazione.
Esso prende origine dalla teoria di Yang-Mills, una teoria di gauge basata sul gruppo SU(n) formulata con l'intento estendere il concetto originale di teoria di gauge per un gruppo abeliano, com'è l'elettrodinamica quantistica (QED), al caso di un gruppo non abeliano con l'obiettivo di fornire una formulazione delle interazioni forti. Purtroppo questa formulazione prevedeva che i quanti del campo di Yang-Mills dovessero essere privi di massa per mantenere "l'invarianza di gauge", cosa non corrispondente alle osservazioni sperimentali. Solo successivamente fu trovato il modo di dotare i quanti del campo di Yang-Mills di massa attraverso il meccanismo di rottura spontanea di simmetria compatibilmente con "l'invarianza di gauge". Questo approccio ha portato all'introduzione del campo di Higgs e al relativo meccanismo di rottura spontanea della simmetria responsabile della massa delle particelle elementari e dei bosoni vettoriali intermedi mediatori dell'interazione debole. La particella scalare associata al campo di Higgs detta "bosone di Higgs" è oggetto di intensa ricerca tramite l'utilizzo del collisore LHC presso il CERN di Ginevra negli esperimenti Atlas e CMS.
Esso prende origine dalla teoria di Yang-Mills, una teoria di gauge basata sul gruppo SU(n) formulata con l'intento estendere il concetto originale di teoria di gauge per un gruppo abeliano, com'è l'elettrodinamica quantistica (QED), al caso di un gruppo non abeliano con l'obiettivo di fornire una formulazione delle interazioni forti. Purtroppo questa formulazione prevedeva che i quanti del campo di Yang-Mills dovessero essere privi di massa per mantenere "l'invarianza di gauge", cosa non corrispondente alle osservazioni sperimentali. Solo successivamente fu trovato il modo di dotare i quanti del campo di Yang-Mills di massa attraverso il meccanismo di rottura spontanea di simmetria compatibilmente con "l'invarianza di gauge". Questo approccio ha portato all'introduzione del campo di Higgs e al relativo meccanismo di rottura spontanea della simmetria responsabile della massa delle particelle elementari e dei bosoni vettoriali intermedi mediatori dell'interazione debole. La particella scalare associata al campo di Higgs detta "bosone di Higgs" è oggetto di intensa ricerca tramite l'utilizzo del collisore LHC presso il CERN di Ginevra negli esperimenti Atlas e CMS.
Il
quadro teorico del Modello Standard include 19 parametri liberi, tra
cui le masse dei quark, dei leptoni e del previsto "bosone di Higgs" in
aggiunta ad altri 9 parametri per le masse dei neutrini, che devono
essere determinati sperimentalmente, non include l'interazione
gravitazionale e non spiega gli effetti della presunta materia oscura e dell'energia oscura quindi, anche se completamente confermato, non potrà costituire un'esaustiva descrizione del mondo fisico.
Una sua estensione, il Modello Standard Supersimmetrico Minimale (MSSM) prevede l'esistenza di partner supersimmetrici massivi e incorpora la supersimmetria fermione-bosone. Essa include tutta una nuova serie di particelle massive a bassa interazione (WIMPs) che potrebbero costituituire delle valide alternative per la materia oscura.
Una sua estensione, il Modello Standard Supersimmetrico Minimale (MSSM) prevede l'esistenza di partner supersimmetrici massivi e incorpora la supersimmetria fermione-bosone. Essa include tutta una nuova serie di particelle massive a bassa interazione (WIMPs) che potrebbero costituituire delle valide alternative per la materia oscura.
Da parecchio tempo comunque si sta lavorando allo sviluppo di teorie candidate a teoria del tutto
(TOE) in grado di superare i limiti del Modello Standard. Esse
sarebbero in grado di derivare le masse delle particelle e limitare i
parametri liberi includendo anche la gravità. La Teoria M che incorpora la teoria delle superstringhe, estensione supersimmetrica della teoria delle stringhe, ne rappresenta al momento il modello più noto.
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