Si afferma spesso che gli antichi greci furono i primi a identificare oggetti che non hanno dimensioni, ma sono in grado di costruire il mondo intorno a noi attraverso le loro interazioni. E poiché siamo in grado di osservare il mondo in minimi dettagli attraverso microscopi di crescente potenza, è naturale chiedersi di cosa siano fatti questi oggetti.
Crediamo di aver trovato alcuni di questi oggetti: particelle subatomiche, o particelle fondamentali, che non avendo dimensioni non possono avere alcuna sottostruttura. Ora stiamo cercando di spiegare le proprietà di queste particelle e stiamo lavorando per mostrare come queste possono essere usate per spiegare il contenuto dell’universo.
Esistono due tipi di particelle fondamentali: particelle di materia, alcune delle quali si combinano per produrre il mondo su di noi, e particelle di forza – una delle quali, il fotone, è responsabile della radiazione elettromagnetica. Questi sono classificati nel modello standard della fisica delle particelle, che teorizza come gli elementi costitutivi di base della materia interagiscono, governati da forze fondamentali. Le particelle di materia sono fermioni mentre le particelle di forza sono bosoni.
Particelle di materia: quark e leptoni
Le particelle di materia sono divise in due gruppi: quark e leptoni – ce ne sono sei, ognuno con un partner corrispondente.
I leptoni sono divisi in tre coppie. Ogni coppia ha una particella elementare con una carica e una senza carica-una che è molto più leggera ed estremamente difficile da rilevare. La più leggera di queste coppie è l’elettrone e l’elettrone-neutrino.
L’elettrone carico è responsabile delle correnti elettriche. Il suo partner non caricato, noto come elettrone-neutrino, è prodotto copiosamente nel sole e questi interagiscono così debolmente con l’ambiente circostante che passano senza ostacoli attraverso la Terra. Un milione di loro passano attraverso ogni centimetro quadrato del tuo corpo ogni secondo, giorno e notte.
I neutrini elettronici sono prodotti in numero inimmaginabile durante le esplosioni di supernova e sono queste particelle che disperdono gli elementi prodotti dalla combustione nucleare nell’universo. Questi elementi includono il carbonio da cui siamo fatti, l’ossigeno che respiriamo e quasi tutto il resto sulla terra. Pertanto, nonostante la riluttanza dei neutrini a interagire con altre particelle fondamentali, sono vitali per la nostra esistenza. Le altre due coppie di neutrini (chiamate muone e muone neutrino, tau e tau neutrino) sembrano essere solo versioni più pesanti dell’elettrone.
Poiché la materia normale non contiene queste particelle può sembrare che siano una complicazione inutile. Tuttavia durante il primo a dieci secondi dell’universo dopo il Big Bang, hanno avuto un ruolo cruciale da svolgere nello stabilire la struttura dell’universo in cui viviamo – conosciuta come l’Epoca dei Lepton.
I sei quark sono anche divisi in tre coppie con nomi stravaganti: “up” con ” down”, “charm” con “strange” e “top” con “bottom” (precedentemente chiamato “truth” e “beauty” anche se purtroppo cambiato). I quark su e giù si uniscono per formare i protoni e i neutroni che si trovano nel cuore di ogni atomo. Ancora una volta solo la coppia più leggera di quark si trova nella materia normale, le coppie charm/strange e top/bottom sembrano non avere alcun ruolo nell’universo come ora esiste, ma, come i leptoni più pesanti, hanno giocato un ruolo nei primi momenti dell’universo e hanno contribuito a crearne uno che è suscettibile alla nostra esistenza.
Particelle di forza
Ci sono sei particelle di forza nel modello standard, che creano le interazioni tra particelle di materia. Sono divisi in quattro forze fondamentali: forze gravitazionali, elettromagnetiche, forti e deboli.
Un fotone è una particella di luce ed è responsabile dei campi elettrici e magnetici, creati dallo scambio di fotoni da un oggetto carico a un altro.
Il gluone produce la forza responsabile per tenere insieme i quark per formare protoni e neutroni e per tenere insieme quei protoni e neutroni per formare nuclei più pesanti.
Tre particelle denominate “W più”, “W meno” e “Z zero” – denominate bosoni vettori intermedi – sono responsabili del processo di decadimento radioattivo e dei processi nel sole che lo fanno brillare. Si ritiene che una sesta particella di forza, il gravitone, sia responsabile della gravitazione, ma non è stata ancora osservata.
Anti-materia: la realtà fantascientifica
Sappiamo anche dell’esistenza dell’anti-materia. Questo è un concetto molto amato dagli scrittori di fantascienza, ma esiste davvero. Sono state osservate frequentemente particelle anti-materia. Ad esempio, il positrone (l’anti-particella dell’elettrone) viene utilizzato in medicina per mappare i nostri organi interni utilizzando la tomografia ad emissione di positroni (PET). Notoriamente quando una particella incontra la sua anti-particella entrambi si annientano a vicenda e viene prodotta una raffica di energia. Uno scanner PET viene utilizzato per rilevare questo.
Ciascuna delle particelle di materia sopra ha una particella partner che ha la stessa massa, ma carica elettrica opposta, quindi possiamo raddoppiare il numero di particelle di materia (sei quark e sei leptoni) per arrivare a un numero finale di 24.
Diamo ai quark di materia un numero di +1 e ai quark anti-materia un valore di -1. Se sommiamo il numero di quark di materia più il numero di quark anti-materia, otteniamo il numero netto di quark nell’universo, questo non varia mai. Se abbiamo abbastanza energia possiamo creare uno qualsiasi dei quark di materia finché creiamo un quark anti-materia allo stesso tempo. Nei primi momenti dell’universo queste particelle venivano create continuamente – ora vengono create solo nelle collisioni dei raggi cosmici con l’atmosfera di pianeti e stelle.
Il famoso bosone di Higgs
C’è una particella finale che completa l’appello nominale delle particelle in quello che viene definito il modello standard della fisica delle particelle finora descritto. È l’Higgs, predetto da Peter Higgs 50 anni fa, e la cui scoperta al CERN nel 2012 ha portato a un premio Nobel per Higgs e Francois Englert.
Il bosone di Higgs è una particella dispari: è la seconda più pesante delle particelle modello standard e resiste a una semplice spiegazione. Si dice spesso che sia l’origine della massa, il che è vero, ma fuorviante. Dà massa ai quark e i quark costituiscono i protoni e i neutroni, ma solo il 2% della massa di protoni e neutroni è fornita dai quark, e il resto proviene dall’energia nei gluoni.
A questo punto abbiamo contabilizzato tutte le particelle richieste dal modello standard: sei particelle di forza, 24 particelle di materia e una particella di Higgs – un totale di 31 particelle fondamentali. Nonostante quello che sappiamo su di loro, le loro proprietà non sono state misurate abbastanza bene da permetterci di dire definitivamente che queste particelle sono tutto ciò che è necessario per costruire l’universo che vediamo intorno a noi, e certamente non abbiamo tutte le risposte. La prossima esecuzione del Large Hadron Collider ci permetterà di perfezionare le nostre misurazioni di alcune di queste proprietà – ma c’è qualcos’altro.
Eppure la teoria è ancora sbagliata
La bella teoria, il modello standard, è stato testato e ri-testato per oltre due decenni e più; e non abbiamo ancora fatto una misurazione che sia in contraddizione con le nostre previsioni. Ma sappiamo che il modello standard deve essere sbagliato. Quando collidiamo due particelle fondamentali insieme, sono possibili una serie di risultati. La nostra teoria ci consente di calcolare la probabilità che un particolare risultato possa verificarsi, ma alle energie oltre le quali abbiamo finora raggiunto prevede che alcuni di questi risultati si verifichino con una probabilità superiore al 100% – chiaramente senza senso.
I fisici teorici hanno speso molti sforzi nel cercare di costruire una teoria che dia risposte sensate a tutte le energie, dando allo stesso tempo la stessa risposta del modello standard in ogni circostanza in cui il modello standard è stato testato.
La modifica più comune implica che ci sono particelle molto pesanti da scoprire. Il fatto che siano pesanti significa che sarà necessaria molta energia per produrli. Le proprietà di queste particelle extra possono essere scelte per assicurarsi che la teoria risultante dia risposte sensate a tutte le energie, ma non hanno alcun effetto sulle misurazioni che concordano così bene con il modello standard.
Il numero di queste particelle non ancora scoperte e non ancora viste dipende dalla teoria in cui si sceglie di credere. La classe più popolare di queste teorie sono chiamate teorie supersimmetriche e implicano che tutte le particelle che abbiamo visto hanno una controparte molto più pesante. Tuttavia, se sono troppo pesanti, sorgeranno problemi alle energie che possiamo produrre prima che queste particelle vengano trovate. Ma le energie che saranno raggiunte nella prossima corsa dell’LHC sono abbastanza alte che l’assenza di nuove particelle sarà un duro colpo per tutte le teorie supersimmetriche.