Il modello standard: le forze

La prima parte dell’articolo è terminata con una comprensione generale delle particelle costituenti la materia: unicamente dodici particelle elementari, sei quark e sei leptoni, sono sufficienti per spiegare l’origine della materia. Riguardando però effettivamente lo schema riassuntivo del modello standard ben altre quattro particelle non sono state trattate. (Il bosone di Higgs non appartiene al modello standard come inizialmente modellizzato)

Il modello standard è ciò che descrive al meglio l’interezza di ciò che abbiamo capito dell’universo. Le restanti particelle serviranno per spiegare in che modo avvengono le interazioni e le eventuali trasformazioni nell’universo. Saranno per cui collegate intrinsecamente al concetto di forza.

Una forza nel mondo della fisica rappresenta tutto ciò che permette un cambiamento, quindi diventa il motore trainante della trasformazione ed è ciò che permette di spiegare l’evolversi di tutto ciò che ci circonda.

Dopo infiniti sforzi, quattro sono le forze considerate fondamentali, nel senso che sono quelle che permettono di spiegare qualsiasi altro tipo di forza e che non sono spiegabili come composizione di altre forze. La scoperta e lo studio delle diverse forze è stato particolarmente travagliato

Basti pensare all’evoluzione che il magnetismo e l’elettrostatica hanno dovuto subire per diventare un'unica teoria nell’elettromagnetismo tramite le quattro equazioni di Maxwell.

Prima però dell’elettromagnetismo già un’altra forza era stata ampiamente analizzata: La forza gravitazionale. anche in questo caso la sua comprensione non è stata troppo semplice. Si è partiti dall’idea di un campo gravitazionale generato da una massa, fino alla relatività di Einstein che modellizza la gravità come una deformazione dello spazio tempo.

Esistono però altre due forze meno conosciute, che risultano essere fondamentali, per comprendere come la natura si comporti.

Basandoci unicamente sulla forza elettromagnetica e quella gravitazionale, infatti non sarebbe possibile capire come i proponi, cariche positive nel nucleo possano effettivamente rimanere all’interno del nucleo senza che la forza Coulombiana faccia in modo che si respingano. Allora la terza forza fondamentale è una forza di tipo attrattivo che deve contrastare la repulsione coulombiana e che presenta un raggio d’azione confrontabile con le dimensioni del nucleo atomico: forza nucleare forte.

Esiste, infine, una quarta e ultima forza fondamentale che è la forza nucleare debole, necessaria per spiegare alcuni tipi di decadimento radioattivo.

Volendo fare un confronto tra le forze, ipotizzando di assegnare alla forza nucleare forte un’intensità unitaria le altre forze sarebbero:

Forza forte= 1

Forza elettromagnetica= 1/100

Forza nucleare debole= 1/100000

Gravità= 1/10000000000000000000000000000000000000000

Nessuno è riuscito ancora a spiegare perché ci sia un così grosso divario tra le diverse forze fondamentali.

Grazie al contributo di  Sheldon Glashow, Abdus Salam e Steven Weinberg si è però riusciti ad unire 2 delle 4 forze. Secondo la teoria sviluppata dai 3 scienziati una volta superate la cosiddetta energia di unificazione (cento miliardi di eV), la forza elettromagnetica e quella nucleare debole diventano un’unica entità, la forza elettrodebole,

Come funziona una forza per il modello standard?

Il modello standard ha un modo davvero particolare di spiegare come due particelle interagiscano tra di loro.

Quando due particelle interagiscono per mezzo di una forza non fanno altro che scambiarsi altre particelle.

Non è un’immagine troppo lontana dalla nostra quotidiana.  Ogni qual volta c’è bisogno di comunicare, infatti si ha sempre uno scambio di un messaggio, che può essere sotto forma di suono, di messaggio scritto, di immagine o altro.

Se le particelle fossero persone, si scambierebbero gattini su Facebook e buongiornissimi, ma sono particelle e quindi non possono che scambiarsi particelle.

La colonna dei bosoni di Gauge, all’interno dello schema del modello standard, sono le particelle utilizzate per trasmettere una forza tra i diversi sistemi.

Le quattro interazioni fondamentali citate non riguardano però tutte le particelle. Affinché una particella subisca e possa esercitare una forza, la particella dovrà possedere una carica specifica per quel tipo di forza, inoltre ogni sistema particellare dovrà sottostare al rigido principio di conservazione della carica.

Ad esempio il muone non contiene la carica della forza nucleare forte quindi, questo tipo di particelle non risente di tale forza.

Come già detto esistono 4 forze dette fondamentali: forza elettromagnetica, forza nucleare forte, forza nucleare debole, forza gravitazionale. Il modello standard però non contempla quest’ultima, cioè non gli assegna un bosone di Gauge.

Diverse sono le teorie che hanno provato ad assegnate un bosone detto gravitone alla forza gravitazionale, ma ancora non si è ottenuto un riscontro sperimentale, con conseguente conferma della quantizzazione del campo gravitazionale. Il gravitone dovrebbe essere una particella priva di massa, priva di carica elettrica e con spin 2.

Il bosone che veicola la forza elettromagnetica è il fotone, particella con carica elettrica nulla e spin 1. la carica specifica assegnata alla forza elettromagnetica affinché le particelle possano risentirne gli effetti è la carica elettrica. I fotoni sono particelle neutre e conseguentemente non risentano della stessa forza di cui veicolano gli effetti.

Le particelle per interagire con forza debole devono avere una carica detta di isospin debole, mentre le particelle scambiate per mezzo dell’interazione debole sono tre diversi bosoni: W₊ ,W_- e Z₀. (dove il pedice indica la carica elettrica corrispondente), la cui scoperta valse a Carlo Rubbia il Nobel per la Fisica nel 1984. Questi bosoni sono particelle massive, sono instabili e per questo motivo il raggio di azione dell’interazione debole è molto minore rispetto ad esempio al range della forza elettromagnetica.  È come se i bosoni W e Z non riuscissero a percorrere lunghe distanze a causa della loro instabilità.

Infine c'è da considerare la forza nucleare forte.  Solo quark e gluoni posseggono la carica necessaria per risentire di questo tipo di forza. La carica citata è detta carica di colore, ma non possiede alcun tipo di correlazione con il concetto della visione dei colori. Le tre cariche di colore sono rosso verde e blu ed esistono conseguentemente 8 tipi di gluoni diversi, uno per ogni combinazione di coppie di colore possibile.

I gluoni non hanno carica elettrica, né carica di isospin, ma possedendo la carica di colore e risentono dell’interazione forte. La disciplina che studia l’interazione nucleare forte per mezzo delle interazioni di colore è detta cromodinamica quantistica (QCD).

A chiudere il cerchio della teoria c’è infine un ultima particella: il bosone di Higgs.

Il bosone di Higgs è una particella prevista per via teorica dal fisico britannico Peter Higgs, premio Nobel per la fisica nel 2013 insieme con il belga François Englert, e che, secondo il modello standard, conferisce alle particelle la loro massa.
Il bosone di Higgs vive per un intervallo di tempo brevissimo per poi decadere in particelle di altro tipo e può quindi essere rilevato per via indiretta, cercando i suoi prodotti di decadimento. Questi prodotti di decadimenti sono stati trovati nel 2012 grazie agli esperimenti CMS e ATLAS di LHC.

L’esistenza di una particella che conferisce la massa è un’idea rivoluzionaria, poiché la massa non è più una proprietà intrinseca dei diversi oggetti, ma diventa un indice del grado d’interazione delle particelle con il cosiddetto campo di Higgs. Più una particella interagisce con il campo, più la particella possiederà una massa elevata

Nell’articolo precedente ti avevo consigliato di parlare con un fisico del MODELLO STANDARD qualora volessi fare breccia nel suo cuore, ora se vuoi puoi provare a farlo, ma ricorda che questa era solo una breve introduzione!

Rem tene, verba sequentur.