Una nuova mappa per il Modello Standard delle particelle

La materia è composta da due varietà di particelle, i leptoni e i quark. Sappiamo però che esiste per ogni particella la sua antiparticella di "antimateria" con massa uguale ma carica e spin opposti

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Il mondo che osserviamo, le galassie, le stelle, i pianeti e noi stessi siamo composti da poche particelle fondamentali che interagiscono tra loro. A partire dagli anni ’70, i fisici hanno sviluppato una serie di equazioni che descrivono le particelle e le loro interazioni. Queste equazioni hanno preso il nome di Modello Standard della fisica delle particelle.

Nonostante gli sforzi dei fisici il Modello Standard manca di alcuni pezzi che andrebbero a implementare un puzzle che seppur incompleto ci restituisce una visione molto accurata di tanti fenomeni osservati. Le tessere mancanti sono di fondamentale importanza per ottenere una visione chiara del nostro universo, esse solo le presunte particelle che costituiscono la materia oscura, le particelle che mediano la forza di gravità e una spiegazione per la massa dei neutrini. Il Modello Standard tuttavia ci restituisce una visione poco coerente della natura che osserviamo. I tentativi di migliorarlo ad oggi sono semplicistici, confusi o carenti.

L’approccio più comune che mostra una tavola periodica delle particelle tuttavia non offre informazioni sulle relazioni tra le particelle stesse. Le particelle portatrici della forza (il fotone, che trasmette la forza elettromagnetica; i bosoni W e Z, che trasmettono la forza debole; e i gluoni, che trasmettono la forza forte) sono posti sullo stesso piano delle particelle che compongono la materia. Queste forze agiscono tra i quark, gli elettroni e i loro parenti. Inoltre, le proprietà chiave come il “colore” vengono tralasciate.

Un secondo approccio visivo è stato realizzato per il film Particle Fever del 2013. Esso mette in risalto la centralità del bosone di Higgs che rappresenta il fulcro del modello standard per alcune ragioni fondamentali che svilupperemo. Nella rappresentazione, la particella di Higgs è posta accanto al fotone e al gluone, anche se in realtà Higgs e il suo campo non influenzano quelle particelle. Anche i quadranti del cerchio presenti nella rappresentazione sono fuorvianti, implicando, ad esempio, che il fotone si accoppia solo alle particelle che tocca, il che non è corretto.

Chris Quigg, un fisico delle particelle che lavora al Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois, ha pensato per decenni a come realizzare una visualizzazione del Modello Standard per aiutare altri a familiarizzare con le particelle note e spingerli a pensare su come queste particelle possano essere inserite in un quadro che ne migliori la comprensione. La rappresentazione visiva di Quigg mostra più ordine e struttura sottostanti del modello standard. Quigg chiama il suo schema “doppio simplex”, perché le particelle della natura destrorsa e sinistrorsa formano ciascuna un simplex, che è una generalizzazione di un triangolo. Lo schema di Quigg e stato in seguito ulteriormente modificato.

Costruire il doppio simplex

La materia è composta da due varietà di particelle, i leptoni e i quark. Sappiamo però che esiste per ogni particella la sua antiparticella di “antimateria” con massa uguale ma carica e spin opposti. Non ci occuperemo pero di queste particelle che andrebbero a formare un doppio simplex invertito.

I quark che ci interessano sono essenzialmente di due tipi e formano protoni e neutroni disponendosi in triplette all’interno del nucleo atomico. Questi quark sono il quark top di carica pari a 2/3 e il quark down di carica pari a – 2/3. I quark up e down possono essere “mancini” o “destrorsi” a seconda che la rotazione o “spin” avvenga in senso orario o antiorario rispetto alla loro direzione di movimento.

I quark up e down “mancini” possono trasformarsi l’uno nell’altro, tramite un’interazione chiamata forza debole. Ciò accade quando i quark si scambiano una particella chiamata bosone W – uno dei bosoni portatori della forza debole, con una carica elettrica di +1 o −1. In natura non esistono bosoni W destrorsi. Ciò significa che i quark up e down destrorsi non possono emettere o assorbire bosoni W, quindi non si trasformano l’uno nell’altro.

I quark possiedono inoltre una carica chiamata “colore”. Un quark può avere una carica di colore rosso, verde o blu. Il colore di un quark lo rende sensibile alla forza forte. La forza forte lega insieme quark di diversi colori in protoni e neutroni, che sono “incolori”, non hanno cioè una carica cromatica netta.

I quark cambiano colore assorbendo o emettendo particelle chiamate gluoni, che sono i portatori della forza forte. Poiché i gluoni possiedono essi stessi una carica di colore, interagiscono costantemente tra loro così come con i quark.

I leptoni sono invece di due tipi: elettroni, che hanno una carica elettrica di -1, e i neutrini, che sono elettricamente neutri. Allo stesso modo dei quark up e down sinistri, gli elettroni e i neutrini mancini possono trasformarsi l’uno nell’altro tramite l’interazione debole. I neutrini destrorsi invece non sono stati osservati in natura. Da notare che i leptoni non possiedono carica di colore e non “sentono” la forza forte; questa è la caratteristica principale che li distingue dai quark.

La struttura del simplex

Ora immaginiamo di guardare uno schema con le particelle “mancine” a sinistra e quelle destrose sulla destra, esse formano lo scheletro di base del doppio simplex di Quigg.

Ora per una qualche ragione a noi ignota, esistono in natura tre versioni progressivamente più pesanti ma per il resto identiche di ciascun tipo di particella di materia. Ad esempio, insieme al quark up e down, ci sono i quark charm e strange, e ancora più pesanti, i quark top e bottom. Lo stesso vale per i leptoni: insieme al neutrino elettronico, ci sono il neutrino muonico e il neutrino tau. (Da notare che i neutrini hanno masse piccole ma tuttora sconosciute). Tutte queste particelle si trovano agli angoli del doppio simplex. Si può notare che una piccola quantità di interazione debole si verifica tra quark mancini in generazioni diverse, così che un quark up potrebbe occasionalmente emettere un bosone W + e diventare uno quark strange. Anche i leptoni di generazioni diverse interagiscono occasionalmente in questo modo.

Forze e carica

Come interagiscono tra loro le particelle? Quasi tutte le particelle di materia hanno carica elettrica, tranne i neutrini. Questo significa che queste particelle sono sensibili alla forza elettromagnetica. Interagiscono tra loro scambiandosi fotoni, che sono i portatori della forza elettromagnetica. Queste interazioni non trasformano le particelle l’una nell’altra; in questo caso, le particelle vengono attratte o respinte.

Ora veniamo alla forza debole che è un po ‘più complicata di quanto visto finora. Oltre ai bosoni W + e W – i portatori elettricamente carichi della forza debole, esiste anche un portatore neutro della stessa forza debole, chiamato bosone Z 0. Le particelle possono assorbire o emettere bosoni Z 0 senza cambiare identità. Come con le interazioni elettromagnetiche, queste “interazioni neutre deboli” causano semplicemente perdita o guadagno di energia e quantità di moto. Le interazioni neutre deboli sono simili a quelle elettromagnetiche non a caso, infatti queste due forze si sono disaccoppiate da una forza chiamata interazione elettrodebole che esisteva nei primi istanti di vita dell’universo.

L’universo nei primi istanti della sua esistenza era in rapida espansione e raffreddamento e un evento che i fisici chiamano “rottura della simmetria” ha disaccoppiato le due forze in debole ed elettromagnetica. Questa divisione è segnata dalla comparsa del campo di Higgs che permea tutto l’universo. Il campo di Higgs è associato al relativo bosone di Higgs scoperto pochi anni fa al CERN di Ginevra.

Arriva il bosone di Higgs

Il bosone di Higgs è il fulcro del modello standard e da senso alla disposizione a doppio simplex. Quando il campo di Higgs ha permeato l’universo primordiale, ha unito le particelle mancine e destrose tra di esse che interagendo con il campo hanno acquisito una massa. (Segnaliamo che il neutrino ha massa, ma la sua origine rimane misteriosa, poiché deriva da un meccanismo diverso da Higgs).

Come può una particella acquisire una massa? Quando una particella come un elettrone si muove attraverso lo spazio, interagisce costantemente con i bosoni di Higgs che sono eccitazioni del campo di Higgs. Quando un elettrone mancino urta contro un bosone di Higgs, l’elettrone potrebbe rimbalzare su di esso in una nuova direzione e diventare destrorso, quindi urtare un altro Higgs e diventare di nuovo mancino, e così via. Queste interazioni rallentano l’elettrone, e questo è ciò che intendiamo per “massa”.

In generale, più una particella si scontra con le eccitazioni del campo di Higgs, più massa acquisisce. Inoltre, le frequenti interazioni con i bosoni di Higgs rendono quelle particelle massicce miscele quantistiche di destrimani e mancini.

Cosi abbiamo la visualizzazione del Modello Standard delle particelle.

Fonte: https://www.quantamagazine.org/a-new-map-of-the-standard-model-of-particle-physics-20201022