Modello standard (fisica)

Il Modello Standard della fisica delle particelle � una teoria che descrive le tre forze fondamentali, cio� l'elettromagnetismo, l'interazione nucleare debole e l'interazione nucleare forte, nonch� tutte le particelle che costituiscono la materia. È una teoria di campo quantistico, consistente sia con la meccanica quantistica che con la relatività speciale.

Ad oggi, quasi tutte le verifiche sperimentali delle tre forze descritte dal Modello Standard si sono dimostrate in accordo con quanto previsto da esso; però, il modello standard non � una teoria completa delle interazioni fondamentali, soprattutto perch� non considera la gravità.

Table of contents

1 Contenuto del Modello Standard
2 Test e predizioni
3 Sfide al Modello standard
4 Ulteriori letture
5 Vedi anche
6 Link esterni

Contenuto del Modello Standard

Il Modello Standard divide le particelle fondamentali in due tipi: i fermioni e i bosoni.

I fermioni sono particelle che possiedono spin semintero e obbediscono al principio di esclusione di Pauli, che stabilisce che due fermioni non possono condividere lo stesso stato quantico. I bosoni invece possiedono spin intero e non obbediscono al principio di esclusione di Pauli. In altre parole, i fermioni sono particelle di materia, mentre i bosoni sono particelle che trasmettono forze; per una descrizione dettagliata delle differenze fra bosoni e fermioni vedi l'articolo sulle particelle identiche.

Nel Modello Standard la teoria dell'interazione elettrodebole (che descrive le interazioni debole ed elettromagnetica) � combinata con la teoria della cromodinamica quantistica; tutte queste teorie sono teorie di gauge, cio� modellizzano le forze fra fermioni accoppiandoli a bosoni che trasportano le forze: la lagrangiana di ogni insieme di bosoni mediatori � invariante rispetto a una trsformazione detta trasformazione di gauge, da cui il nome di bosoni di gauge. I bosoni nel Modello Standard sono:

Fotoni, che mediano l'interazione elettromagnetica.
Bosoni W e Z, che mediamo la forza nucleare debole.
Otto tipi di gluoni, che mediano la forza nucleare forte. Sei di questi gluoni sono etichettati come coppie di colori e anti-colori (per esempio un gluone può portare rosso e anti-rosso). Le altre due specie sono una combinazione molto pi� complessa di colore e anticolore.
Il bosone di Higgs, che induce la rottura spontanea della simmetria dei gruppi di gauge ed � responsabile della massa inerziale.

Si dimostra che le trasformazioni di gauge dei bosoni di gauge possono essere descritte esattamente usando un gruppo unitario chiamato gruppo di gauge. Il gruppo di gauge dell'interazione forte � SU(3), mentre quello dell'interazione elettrodebole � SU(2)×U(1): perciò il modello Standard � noto anche come SU(3)×SU(2)×U(1);. Il bosone di Higgs � l'unico bosone non di gauge del modello standard e per questo, oltre ad occupare nella teoria un posto particolare, � anche oggetto di alcune controversie. I gravitoni, cio� i bosoni che si pensa debbano mediare l'interazione gravitazionale, non sono considerati nel Modello Standard.

Ci sono dodici tipi, o sapori, diversi di fermioni nel Modello Standard: fra protone, neutrone ed elettrone soltanto l'elettrone viene considerato una particella fondamentale, questo perché il protone ed il neutrone sono invece aggregati di particelle pi� piccole, i quark, tenute insieme dall'interazione nucleare forte. I fermioni fondamentali del modello standard sono:

**Fermioni sinistrosi nel Modello Standard**
Fermione	Carica elettromagnetica	Carica debole (come rappresentazione)*	Isospin debole	Ipercarica	Carica forte (colore) (come rappresentazione)*	Massa**
Generazione 1
Elettrone	-1	2	-1/2	-1/2	1	0.511 MeV
Neutrino elettronico	0	2	+1/2	-1/2	1	< 50 eV
Positrone	1	1	0	1	1	0.511 MeV
Antineutrino elettronico	0	1	0	0	1	< 50 eV
Quark Su	+2/3	2	+1/2	+1/6	3	~5 MeV ***
Quark Gi�	-1/3	2	-1/2	+1/6	3	~10 MeV ***
Antiquark antiSu	-2/3	1	0	-2/3		~5 MeV ***
Antiquark antiGi�	+1/3	1	0	+1/3		~10 MeV ***
Generazione 2
Muone	-1	2	-1/2	-1/2	1	105.6 MeV
Neutrino muonico	0	2	+1/2	-1/2	1	< 0.5 MeV
Antimuone	1	1	0	1	1	105.6 MeV
Antineutrino muonico	0	1	0	0	1	< 0.5 MeV
Quanrk Charm	+2/3	2	+1/2	+1/6	3	~1.5 GeV
Quark Strange	-1/3	2	-1/2	+1/6	3	~100 MeV
Antiquark antiCharm	-2/3	1	0	-2/3		~1.5 GeV
Antiquark antiStrange	+1/3	1	0	+1/3		~100 MeV
Generazione 3
Particella Tau	-1	2	-1/2	-1/2	1	1.784 GeV
Neutrino tauonico	0	2	+1/2	-1/2	1	< 70 MeV
Particella antiTau	1	1	0	1	1	1.784 GeV
Antineutrino tauonico	0	1	0	0	1	< 70 MeV
Quark Top	+2/3	2	+1/2	+1/6	3	178 GeV
Quark Bottom	-1/3	2	-1/2	+1/6	3	~4.7 GeV
Antiquark antiTop	-2/3	1	0	-2/3		178 GeV
Antiquark antiBottom	+1/3	1	0	+1/3		~4.7 GeV

* - Queste non sono normali cariche abeliane che possono essere sommate assieme ma etichette delle rappresentazioni del gruppo di Lie.

** - La massa, in realtà, � un accoppiamento fra un fermione sinistroso ed uno destroso: per esempio, la massa di un elettrone � un accoppiamento fra un elettrone sinistroso ed un elettrone destroso, il quale � l'antiparticella di un positrone sinistroso. Anche i neutrini mostrano una grande varietà nei loro accoppiamenti di massa, e per questo non � esatto parlare di masse dei neutrini nei loro tipi base o dire che un neutrino elettronico sinistroso e un neutrino elettronico destroso hanno la stessa massa, come questa tabella sembra suggerire.

*** - Quello che in realtà � stato misurato sperimentalmente sono le masse dei barioni e degli adroni e diverse sezioni d'urto. Dal momento che i quark non si possono isolare a causa del confinamento della QCD, supponiamo che la quantità qui esposta sia la massa del quark alla scala di rinormalizzazione della transizione di fase della QCD. Per arrivare a calcolare questa quantità, i fisici devono costruire un modello su reticolo e provare ad assegnare masse diverse per i quark fino a trovare quelle per cui il modello approssima meglio i dati sperimentali. Poich� le masse dei quark di prima generazione sono molto al di sotto della scala QCD, le incertezze sono molto grandi: infatti gli attuali modelli di QCD su reticolo sembrano suggerire che le masse di questi quark siano significativamente pi� basse di quelle nella tabella.

I fermioni possono essere sistemati in tre generazioni: la prima composta da elettroni, quark su e giu e neutrini elettronici. Tutta la materia ordinaria � costituita da queste poche particelle; le particelle delle generazioni superiori decadono velocemente in questi pochi mattoni fondamentali e hanno una breve vita media negli esperimenti ad alta-energia. La ragione principale per tale sistemazione � che i quattro fermioni in ogni generazione si comportano in modo simile a come fanno le rispettive controparti nelle generazioni successive, a parte la differenza nelle loro masse. Ad esempio l'elettrone ed il muone hanno entrambi spin semi-intero e carica elettrica unitaria, ma la massa del muone � circa 200 volte pi� grande di quella dell'elettrone.

Elettrone, muone e tauone e i loro corrispondenti neutrini sono classificati come leptoni. A differenza dei quark, essi non posseggono alcuna carica di colore e quindi le interazioni che essi sperimentano (debole ed elettromagnetica) diminuisce con la distanza molto velocemente (l'inverso del quadrato di r). D'altra parte la forza forte tra i quark diventa pi� forte con la distanza, e questo � il motivo per cui non si possono osservare quark liberi, ma solo combinati in altri stati di colore neutro detti adroni. Esistono, poi, sia i barioni, di tipo fermionico, composti da tre quark (neutroni e protoni), sia i mesoni, di tipo bosonico, composti da una coppia di quark-antiquark (pioni). La massa totale di tali particelle supera quella dei singoli componenti a causa dell'energia di legame.

Test e predizioni

Il Modello Standard ha predetto l'esistenza dei bosoni W e Z, del gluone, dei quark top e charm prima che tali particelle venissero osservate. Inoltre � stato sperimentalemnte verificato che le caratteristiche teoriche di tali particelle sono, con buona precisione, quelle che effettivamente mostrano avere in natura.

L'acceleratore di elettroni e positroni al CERN ha testato varie predizioni circa il decadimento dei bosoni Z, confermandole tutte.

Sfide al Modello standard

Anche se il Modello standard ha avuto un grosso successo nello spiegare i risultati sperimentali, esso non � mai stato accettato come una toria completa della fisica fondamentale, a causa di due grossi difetti:

Il modello contiene 19 parametri liberi, come le masse delle particelle, che devono essere determinati sperimentalmente (pi� altri 10 parametri per le masse dei neutrini): tuttavia, tutte queste masse non possono essere calcolate indipendentemente l'una dall'altra.
Il modello non descrive l'interazione gravitazionale.

Fin dal completamento del Modello standard sono stati fatti molti sforzi per superare questi limiti e trasformarlo in una teoria completa. Un tentativo di superare il primo difetto � noto come grande unificazione: le cosiddette GUT (Grand unification theories, teorie della grande unificazione) ipotizzano che i gruppi SU(3), SU(2) e U(1) non siano altro che dei sottogruppi di un altro gruppo di simmetria ancora pi� grande. Ad alte energie (molto oltre la portata degli esperimenti in corso) la simmetria del gruppo unificatore � conservata: a energie pi� basse invece si riduce a SU(3)×SU(2)×U(1) per un processo noto come rottura spontanea della simmetria. La prima teoria di questo tipo venne proposta nel 1974 da Georgi e Glashow, con il gruppo SU(5) come gruppo di unificazione. Una proprietà distintiva di queste GUT � che, diversamente dal Modello Standard, prevedono tutte il fenomeno del decadimento protonico. Nel 1999 l'osservatorio di neutrini Super-Kamiokande ha stabilito di non aver mai osservato un decadimento protonico, stabilendo così un limite inferiore all'ipotetica emivita (tempo di dimezzamento) del protone pari a 6.7× 10³² anni. Questo ed altri esperimenti hanno falsificato, scartandole, numerose teorie GUT, fra cui quella SU(5).

Inoltre, ci sono ragioni cosmologiche per ritenere che il Modello Standard così com'� sia incompleto: in esso materia ed antimateria sono simmetriche, mentre l'universo � costituito, in apparenza, quasi esclusivamente di materia. Questa prevalenza della materia sull'antimateria si può spiegare postulando che l'universo sia semplicemente nato così, ma questa spiegazione � poco elegante e decisamente insoddisfacente per molti fisici. Ancora, in conseguenza della mancanza al suo interno della gravità, il Modello Standard non fornisce nessun meccanismo che spieghi l'inflazione cosmica che si pensa sia avvenuta alla nascita dell'universo.

Attualmente (2004) il bosone di Higgs previsto dal Modello Standard non � stato ancora osservato.

La prima deviazione sperimentale dal Modello standard venne nel 1998, quando il Super-Kamiokande pubblicò risultati che indicavano una oscillazione dei neutrini solari fra tipi diversi; questo significa che i neutrini hanno una massa diversa da zero, dal momento che le particelle prive di massa viaggiano alla velocità della luce e quindi non sperimentano il passare del tempo. Il Modello Standard non prevede masse per i neutrini, visto che presuppone soltanto l'esistenza di neutrini sinistrosi, ovvero con spin allineato in senso antiorario rispetto all'asse del loro moto. Se i neutrini hanno una massa, allora devono per forza viaggiare pi� lentamente della velocità della luce: perciò sarebbe possibile sorpassare un neutrino, scegliendo un sistema di riferimento in cui la sua direzione di moto sia invertita senza influenzare il suo spin, rendendolo quindi destroso.

Da allora i fisici hanno rivisto il Modello Standard introducendo una massa per i neutrini, il che ha aggiunto ulteriori parametri liberi oltre ai 19 iniziali; questo nuovo modello viene chiamato ancora Modello Standard, nonostante le modifiche apportate.

Una ulteriore estensione del Modello Standard si può trovare nella teoria della supersimmetria, che propone un compagno supersimmetrico massiccio per ogni particella del Modello Standard convenzionale: le particelle supersimmetriche sono state candidate a spiegare la cosiddetta materia oscura dell'universo.

Ulteriori letture

S.F. Novaes, Standard Model: An Introduction
Y. Hayato et al., Search for Proton Decay through p → νK⁺ in a Large Water Cherenkov Detector. Phys. Rev. Lett. 83, 1529 (1999).

Vedi anche

Molti gli argomenti connessi con il Modello Standard. Per un primo approfondimento su questi aspetti della fisica, fare riferimento a: Problemi irrisolti in fisica, Teoria della grande unificazione, Teoria del tutto, Cosmologia, Cosmologia non standard, Storia della fisica, Politica della scienza.

Nell'ambito della Fisica teorica, interessanti sono gli approfondimenti che possono essere trovati negli articoli su: Teoria delle stringhe, Teoria di gauge (Teoria dei campi di gauge, Gauge, SU(3)XSU(2)XU(1))

Infine, in Fisica delle particelle: Fotone, Elettrone, Particella elementare, Bosone, Muone, Neutralino, Neutrino, Bosone di Higgs, Numero quantico, Numero barionico, Numero leptonico, Problema dei neutrini solari, Fotino

Per approfondire, poi, alcuni dei concetti espressi in questo articolo, vedere: Gerarchia, Supersimmetria, Forze fondamentali, Costante di struttura fine, Technicolor, Assiomi di Wightman

Link esterni

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