Cinque misteri che il Modello standard non può spiegare

Il nostro miglior modello di fisica delle particelle spiega solo circa il 5 percento dell'universo.

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le mancanze del modello standard

Il modello standard è un capolavoro di bellezza. È la teoria più rigorosa della fisica delle particelle, incredibilmente preciso e accurato nelle sue previsioni. Stabilisce matematicamente i 17 mattoni della natura: sei quark, sei leptoni, quattro particelle portatrici di forza e il bosone di Higgs. Questi sono governati dalle forze elettromagnetiche, deboli e forti.

Per quanto riguarda la domanda ‘Cosa siamo?’ il modello standard ha la risposta“, afferma Saúl Ramos, ricercatore presso la National Autonomous University of Mexico (UNAM). “Ci dice che ogni oggetto nell’universo non è indipendente e che ogni particella è lì per una ragione“.

Negli ultimi 50 anni un tale sistema ha permesso agli scienziati di incorporare la fisica delle particelle in un’unica equazione che spiega la maggior parte di ciò che possiamo vedere nel mondo che ci circonda.

Nonostante il suo grande potere predittivo, tuttavia, il Modello standard non risponde a cinque domande cruciali, motivo per cui i fisici delle particelle sanno che il loro lavoro è lungi dall’essere svolto.

1. Perché i neutrini hanno massa?

Tre delle particelle del modello standard sono diversi tipi di neutriniIl modello standard prevede che, come i fotoni, i neutrini non dovrebbero avere massa.

Tuttavia, gli scienziati hanno scoperto che i tre neutrini oscillano o si trasformano l’uno nell’altro mentre si muovonoQuesta impresa è possibile solo perché dopo tutto i neutrini non sono privi di massa.

Se usiamo le teorie che abbiamo oggi, otteniamo la risposta sbagliata“, afferma André de Gouvêa, un professore della Northwestern University.

Il modello standard sbaglia sui i neutrini, ma resta da vedere quanto sia sbagliato. Dopotutto, le masse che i neutrini hanno sono piuttosto piccole.

Sbaglia completamente il Modello standard o c’è altro che non sappiamo sui neutrini? Alcuni risultati sperimentali hanno suggerito, ad esempio, che potrebbe esserci un quarto tipo di neutrino chiamato neutrino sterile che non abbiamo ancora scoperto.

2. Che cos’è la materia oscura?

Gli scienziati hanno capito che mancava qualcosa quando hanno notato che le galassie ruotano molto più velocemente di quanto dovrebbero, in base all’attrazione gravitazionale dovuta alla loro materia visibile. Girano così in fretta che dovrebbero separarsi. Qualcosa che non possiamo vedere, che gli scienziati hanno soprannominato “materia oscura“, deve dare ulteriore massa – e quindi attrazione gravitazionale – a queste galassie.

Si pensa che la materia oscura costituisca il 27 percento del contenuto dell’universo. Ma non è inclusa nel modello standard.

Gli scienziati sono alla ricerca di modi per studiare questa materia misteriosa e identificarne i mattoni. Se gli scienziati potessero dimostrare che la materia oscura interagisce in qualche modo con la materia normale, “avremmo ancora bisogno di un nuovo modello, ma significherebbe che il nuovo modello e il Modello standard sono collegati“, afferma Andrea Albert, un ricercatore del Dipartimento statunitense del Laboratorio nazionale SLAC dell’Energia che studia la materia oscura, tra le altre cose, presso l’Osservatorio di Cherenkov sull’acqua ad alta quota in Messico. “cambierebbero le carte in tavola“.

3. Perché c’è così tanta materia nell’universo?

Ogni volta che una particella di materia nasce – per esempio, in una collisione di particelle nel Large Hadron Collider o per il decadimento di un’altra particella – normalmente si presenta insieme alla sua controparte di antimateria. Quando uguali particelle di materia e antimateria si incontrano, si annichilano a vicenda.

Gli scienziati suppongono che quando l’universo si è formato dal Big Bang, materia e antimateria avrebbero dovuto essere prodotte in parti uguali. Tuttavia, qualcosa di strano e imprevedibile è successo nel rapporto tra materia e antimateria e l’universo intorno a noi è dominato dalla materia.

Il modello standard non può spiegare questo squilibrio. Molti esperimenti diversi stanno studiando la materia e l’antimateria alla ricerca di indizi su cosa sia successo.

4. Perché sta accelerando l’espansione dell’universo?

Prima che gli scienziati fossero in grado di misurare l’espansione del nostro universo, immaginavano che fosse iniziata subito dopo il Big Bang e che, nel tempo, avesse iniziato a rallentare. Quindi è stato uno shock la scoperta che, non solo l’espansione dell’universo non sta rallentando, ma che in realtà sta accelerando.

Le ultime misurazioni del telescopio spaziale Hubble e dell’osservatorio dell’Agenzia spaziale europea Gaia indicano che le galassie si stanno allontanando da noi sempre più velocemente. Tale velocità si moltiplica per ogni megaparsec aggiuntivo, una distanza di 3,2 milioni di anni luce, rispetto alla nostra posizione.

Si ritiene che questa velocità derivi da una proprietà inspiegabile dello spazio-tempo chiamata energia oscura, che sta dilatando l’universo. Si pensa che rappresenti circa il 68 percento dell’energia nell’universo. “Questo è qualcosa di fondamentale che nessuno avrebbe potuto prevedere solo guardando il modello standard“, afferma de Gouvêa.

5. Esiste una particella associata alla forza di gravità?

Il modello standard non è stato progettato per spiegare la gravitàQuesta quarta e più debole forza della natura non sembra avere alcun impatto sulle interazioni subatomiche spiegate dal Modello Standard.

I fisici teorici pensano che una particella subatomica chiamata gravitone possa trasmettere la gravità nello stesso modo in cui le particelle chiamate fotoni trasportano la forza elettromagnetica.

Dopo che LIGO ha confermato l’esistenza delle onde gravitazionali, ora ci chiediamo: qual è la più piccola onda gravitazionale possibile? È quasi come chiedere che cosa sia un gravitone”, afferma Alberto Güijosa, professore presso l’Istituto di Scienze nucleari dell’UNAM.

Altro da esplorare

Questi cinque misteri sono le grandi domande della fisica nel 21° secolo, dice Ramos. Tuttavia, ci sono enigmi ancora più fondamentali: Qual è la fonte della geometria spazio-temporale? Da dove vengono le loro particelle? Perché la forza forte è così forte mentre la forza debole è così debole?

C’è ancora molto da esplorare, dice Güijosa. “Anche se arrivassimo ad una teoria finale e perfetta del tutto, eseguiremmo comunque esperimenti in diverse situazioni al fine di spingerne i limiti.

È un esempio molto classico del metodo scientifico in azione“, afferma Albert. “Ad ogni risposta arrivano altre domande“.

Fonte: Simmetry Magazine