Il modello standard: la materia

Se mai avessi la fortuna di conoscere personalmente un fisico, che sia uno studente, un ricercatore o qualcuno che abbia terminato i propri studi, se avessi voglia di fare colpo la faccenda non è troppo complicata.
Infatti sarà sufficiente mostrare interesse per 2 o 3 argomenti e chiunque esso/a sia cadrà i tuoi piedi.

I fisici infatti hanno due grandi passioni:

• la costituzione di modelli, validi per la migliore comprensione possibile della natura
• il desiderio di unificare le cose, così sa aver in un'unica teoria/ modello la comprensione del maggior numero di cose

Se poi riuscissi ad indirizzare la conversazione su un qualcosa che unisca entrambe le cose, allora ecco che in men che non si dica il povero scienziato ti avrà chiesto la mano per convolare a nozze.

Se ti va di accettare un personalissimo consiglio la cosa forse che più permette di unire le due cose è ciò che viene definito il MODELLO STANDARD.

Siccome non puoi presentarti all’appuntamento conoscendo solo il nome della teoria, noi di Fisici senza Palestra, siamo pronti ad insegnarti qualcosa in più (a patto di riservarci una partecipazione al matrimonio).

Per farti capire meglio qual è la situazione da comprendere facciamo un iniziale inquadramento di tipo storico.
Come ben sai siamo circondati da un’infinità di materia di tipo diverso e gli ultimi due secoli sono stati quelli che più di tutti ci hanno effettivamente permesso di imparare e comprendere come la natura sia fatta e come si comporti.

Nel 19 esimo secolo l’idea diffusa era che tutta la materia fosse composta non altro che da un’ottantina di elementi diversi, che erano stati ordinatamente disposti nella tavola periodica da Dimitri Mendeleev. Praticamente la concezione era che ogni elemento fosse effettivamente composto da atomi di tipo diverso.

Ipotizzare però ben 80 diversi atomi, andava contro la mania di semplificazione dei fisici. La prima grande rivoluzione avvenne quando JJ Thomson tramite un piccolo acceleratore scoprì l’esistenza di una particella che risultava essere circa 2000 volte più leggera dell’idrogeno. Eccoci alla prima pietra miliare: scoperta della prima particella subatomica: l’elettrone!

Successivamente solo con gli esperimenti di Rutherford nel 1911 si riesce a comprendere la conformazione reale di un atomo. Gli atomi sono essenzialmente vuoto! Ipotizzando infatti un nucleo portatore della carica positiva delle dimensioni di una mela, il primo elettrone si troverebbe ad una distanza di circa un km. Ma per capire quali siano le componenti del nucleo bisogna aspettare il 1932 per la scoperta delle particelle costituenti per mezzo degli studi di rutherford con Cladwick.

Ecco il momento in cui si comprende la meraviglia di ciò che ci circonda. La materia è composta da UNICAMENTE TRE tipi di particelle diverse: il protone, il neutrone e l’elettrone!

Però già degli inizi del ventesimo secolo si era verificata l’esistenza di qualcosa che non era possibile spiegare per mezzo di queste tre particelle fondamentali: i raggi cosmici.
Solo durante i primi anni 40,  la costruzione dei primi acceleratori  permise non solo di studiare i raggi cosmici, ma anche di scoprire un’infinità di nuove particelle “esotiche”. Data la poca fantasia dei fisici, le lettere greche furono utilizzate per battezzare queste nuove particelle. Ecco che nella nostra conoscenza entrano a far parte i Pioni (π), le particelle lambda (λ),i Kaoni (k), gli iperoni…

A metà degli anni 60 ecco che si ripropone il problema che si era già affrontato con la tavola di Mendeleev: circa 80 particelle apparentemente elementari erano state scoperte. Un numero eccessivamente grande, a tal punto che si era soliti parlare di zoo di particelle. L’eleganza della semplicità fu ristabilita da Murray Gell-Mann che, utilizzando famiglie di simmetria, riuscì ad organizzare tutto per mezzo della cosiddetta eightfold way.

Questa rivoluzionaria teoria ha il compito di organizzare tutte le particelle adroniche, cioè tutte le particelle che risentono della forza nucleare forte.

L’idea è quella di organizzare i mesoni, particelle che hanno una massa intermedia tra quella del protone e quella dell’elettrone, e i barioni con spin -1/2 in un ottetto.

Per aggiungere un po’ di concetti difficili che magari ti sproneranno ad intraprendere uno studio individuale, la teoria si basa sulla cosiddetta teoria dei gruppi (teoria che studia operazioni che presentano al loro interno sia l’elemento neutro che l’elemento inverso) ed in particolare per questo caso si utilizzano gli elementi del gruppo SU(3).

La teoria ha anche un’interpretazione che si basa sui concetti di simmetria di sapore, dove con sapore si intendono l’insieme delle caratteristiche delle particelle.

Nel 1968 presso l’acceleratore lineare di Stanford volendo utilizzare un flusso elettronico per indagare la natura del protone, si individuò come esso fosse formato da 3 particelle: quella fu la conferma come l’idea dell’esistenza dei quark, ipotizzata precedentemente, potesse essere corretta.

Ordine ristabilito: l’intero universo è descrivibile per mezzo di unicamente 12 particelle, le uniche realmente elementari.

Ancora oggi, l’insieme totale delle 12 particelle viene  diviso in tre generazioni. La prima composta da quark up, quark down, elettrone e neutrino elettronico, dove la combinazione dei 2 primi quark permette di formare i protoni e i neutroni.

Ogni generazione successiva è caratterizzata da essere formata dalla stessa struttura formale della prima: due particelle quark e due particelle leptoniche di cui una tra le due, il neutrino, presenta una carica neutra. Le altre due categorie sono di struttura identica alla prima ma si differenziano perché le particelle sono più pesanti.

Il modello standard considera sei sapori di quark e sei sapori per quanto riguarda i leptoni (particelle con spinsemiintero).

Questa è la rappresentazione migliore che abbiamo attualmente  della materia che conosciamo.

Dagli inizi dello sviluppo della teoria fino ai giorni nostri si continua ad utilizzare il LHC (Large Hadron Collider) presso il CERN,  grazie al quale si riescono ad accelerare i protoni ad una velocità pari al 99,999999% la velocità della luce portandoli a collidere gli uni con gli altri così da studiare i loro costituenti fondamentali.

Analogamente a quanto fatto per la materia, il modello standard ha come ulteriore scopo (oltre quello della comprensione più intima della materia) quello di comprendere, semplificare e modellizzare il concetto della forza.

Ma questo sarà argomento della seconda parte dove torneranno utili le altre particelle nel disegno, di cui non abbiamo ancora parlato!

Decipit frons prima multos.