Il “Modello Standard” è malato?
Il modello standard della fisica delle particelle, o semplicemente modello standard, sembra avere molti acciacchi.
Pur essendo il miglior modello a nostra disposizione, è ora di sostituirlo?
Attorno al 1935 la fisica delle particelle sembrava ben definita: si sapeva che l’atomo era formato da un nucleo formato da neutroni e protoni attorno al quale gravitavano gli elettroni, Enrico Fermi teorizzava che il decadimento β (beta) dei nuclei dipendesse da un’elusiva particella chiamata neutrino, era stato scoperto il positrone, gemello dell’elettrone ma con carica positiva ed infine era stato proposto il pione come mediatore della forza nucleare.
Nel 1933 Carl David Anderson diede conferma sperimentale del Positrone (fonte: Wikipedia)
Insomma, i fisici potevano rilassarsi un po’ ed ammirare il gioiellino che spiegava com’era formata tutta la materia presente nel creato, e con soli sei mattoncini fondamentali! Senza contare che appena una ventina di anni prima Einstein aveva formulato anche la teoria della relatività generale, che risolveva i problemi riscontrati nel moto dei pianeti ottenuti con le leggi di Newton.
Particelle conosciunte nel 1935
Immaginatevi quindi lo stupore del mondo scientifico quando appena un anno dopo, nel 1936, Carl Anderson e Seth Neddermeyer scoprirono il muone (simbolo µ) che sembrava un elettrone, ma che era decisamente più ‘cicciottello’, dato che possedeva una massa 200 volte superiore, al punto da far esclamare al fisico Isaac Raabi la famosa frase “Who ordered that?” (“E questo chi lo ha ordinato?”).
A seguire, vennero poi scoperte un’infinità di altre particelle elementari o ritenute tali, come i Kaoni (simbolo K) con tre cariche diverse, l’antiprotone, il pione neutro, due tipi di neutrini (elettronico e muonico), il barione Lambda (simbolo É…, che, grazie a una vita ‘stranamente’ lunga ovvero migliaia di miliardi di volte quella prevista, portò alla scoperta del quark “strange”) e una moltitudine di altre ancora, rendendolo un zoo molto affollato.
Era possibile che tutte queste particelle fossero fondamentali?
Ovviamente no, e fu così che nel 1964 i fisici Murray Gell-Mann e George Zweig proposero che gli adroni (ovvero protoni, neutroni e un sacco di altre particelle pesanti) fossero costituiti a loro volta da Quark, la cui presenza fu confermata nel 1968 grazie a esperimenti di scattering anelastici profondi presso lo Stanford Linear Accelerator Center.
Nasce così quello che oggi viene chiamato “Modello Standard”, ovvero la teoria fisica che descrive le interazioni fondamentali: l'interazione elettromagnetica, l'interazione debole e l'interazione forte, e classifica tutte le particelle elementari conosciute; rimane però esclusa la forza gravitazionale, come vedremo:
Modello Standard (fonte: Wikipedia)
Come si può dedurre dall’immagine sopra, è formata da sei leptoni (che comprendono gli elettroni e i neutrini), da sei quark (che formano i protoni, i neutroni e tutti gli altri adroni) e dalle particelle che mediano le forze elementari: il gluone (responsabili della forza nucleare forte), il fotone (che media l’interazione elettromagnetica), i bosoni W e Z (che regolano la forza debole) e il bosone di Higgs, ultimo arrivato ma non di minore importanza, responsabile dell’omonimo campo che svolge un ruolo fondamentale nel Modello Standard conferendo la massa alle particelle elementari.
Quarks e Leptoni formano quindi la materia che conosciamo (i bosoni, come ho già detto, mediano le forze), sono suddivisi in tre famiglie con massa a riposo crescente e la prima famiglia costituisce tutta la materia che noi conosciamo, mentre le altre due famiglie decadono velocemente nella prima (anche se è stato ipotizzato che in certe condizioni possano essere stabili, come nel nucleo di alcune stelle di neutroni).
Oltre a queste particelle, ci sono anche le relative antiparticelle come il positrone, gli antineutrini e gli antiquark (per ciascuna varietà di quark esiste il corrispondente antiquark avente la stessa massa e la stessa quantità di carica elettrica, ma di segno opposto), tranne che per i bosoni che hanno valore a zero per tutte le cariche, come ad esempio i fotoni. In questo caso, le particelle sono anche le antiparticelle di se stesse.
Inoltre, il Modello Standard è riuscito a fare anche delle previsioni notevoli, predicendo l'esistenza dei bosoni W e Z, del gluone, dei quark top e charm ancora prima che tali particelle venissero scoperte. Inoltre, le caratteristiche previste di tali particelle erano, con buona precisione, quelle che effettivamente dimostrano di possedere in natura.
Oh bene, abbiamo quindi sistemato tutto, e abbiamo un bel quadro, con una trentina di particelle fondamentali (comprese le antiparticelle), da appendere alla parete e da assaporare in tutto il suo splendore.
Hei, questa frase mi sembra di averla già scritta un po’ più in su, o mi sbaglio?
E in effetti ci troviamo di nuovo nella situazione di una novantina di anni fa, e precisamente nel 1936: abbiamo tassellato tutto il quadro, ma girandolo abbiamo scoperto che c’era ancora molto da scoprire.
Quali sono i punti deboli, allora?
Parecchi, vediamoli insieme:
Il Modello Standard non prevede l'interazione gravitazionale
Ma come, spiega la forza nucleare forte, l’elettromagnetismo, la forza debole ma quella che influisce maggiormente su di noi no?
A onor del vero, sono state fatte diverse ipotesi a tal proposito, come la Teoria delle Stringhe (di cui ne parlerò in un prossimo articolo, stay tuned), la Supergravità e altre ancora, ma stiamo ancora brancolando nel buio più totale; evidentemente una Teoria che possa mettere d’accordo due giganti della fisica come la teoria della relatività e la meccanica quantistica, è al di là da venire.
Il Modello Standard non prevede massa per i neutrini.
Nel 1998, l'esperimento Super-Kamiokande pubblicò risultati che indicavano una oscillazione dei neutrini fra tipi diversi; questo però implica che i neutrini abbiano una massa diversa da zero, mentre il modello standard prevede invece che i neutrini abbiano massa nulla, e che viaggino alla velocità della luce.
Il Modello Standard non prevede l’esistenza della Materia Oscura
Eh già, la Materia Oscura, che sembra costituire la maggior parte della materia nell’Universo (circa cinque volte la materia ‘normale’), non è assolutamente prevista in questo modello, che non dà nessuna indicazione a tal proposito.
Alcune teorie integrative, come la Supersimmetria (Super Symmetry, ovvero SUSY, che è una teoria che individua una simmetria secondo la quale ad ogni fermione e ad ogni bosone corrispondono rispettivamente un bosone e un fermione di uguale massa), prevedono alcune particelle stabili che hanno interazioni debolissime con la materia ordinaria e che sarebbero quindi delle candidate perfette per la materia oscura; purtroppo per il momento l'esistenza della supersimmetria è basata solo su considerazioni teoriche che però introducono forse più problemi di quelli che cercano di risolvere.
Il Modello Standard contiene 28 parametri liberi
Questi parametri devono essere ricavati sperimentalmente; è però vero che le masse non sono indipendenti l’una dall’altra, e quindi ci deve essere qualche legge che ancora non conosciamo.
Il Modello Standard non spiega l’asimmetria barionica
Nell’Universo sembra sia quasi solo presente materia ‘normale’, mentre l’antimateria latita.
Eppure nel Big Bang sarebbero dovute essere prodotte in egual maniera: quando ad esempio un fotone gamma viene assorbito nel campo elettrico di un nucleo, viene prodotta una coppia elettrone-positrone, quindi tanta antimateria quanta materia; perché invece nell’Universo della prima sembra non essercene quasi traccia?
Alcuni esperimenti comunque, come quello sui mesoni B presso il Tevatron, tentano di dare una spiegazione scientifica a tale disparità.
Una nuova fisica?
L’esperimento Muon g-2 del Fermilab indica che molto probabilmente esistono nuove particelle non ancora presenti nel Modello Standard (i risultati combinati di Fermilab e Brookhaven mostrano una differenza con la teoria con un significato di 4,2 sigma, ovvero la possibilità che i risultati siano una fluttuazione statistica è di circa 1 su 40.000).
La precessione dei muoni utilizzati nell’esperimento è infatti non coerente con i calcoli che partono dal Modello che attualmente noi conosciamo: “Questa quantità che misuriamo riflette le interazioni del muone con tutto il resto dell’universo. Ma quando i teorici calcolano la stessa quantità, utilizzando tutte le forze e le particelle conosciute nel Modello Standard, non otteniamo la stessa risposta”, ha affermato Renee Fatemi, “Questa è una prova evidente che il muone è sensibile a qualcosa che non rientra nella nostra migliore teoria”.
In effetti non è chiaro perché ci dovrebbero essere solo TRE famiglie di particelle , ad esempio; siccome la massa a riposo delle particelle nel Modello Standard cresce velocemente avanzando di famiglia, le particelle di famiglie ancora non scoperte potrebbero avere semplicemente una massa troppo grande per gli acceleratori attuali; c’è comunque da dire che alcuni esperimenti tenderebbero ad escludere tale ipotesi.
Il primo risultato dell’esperimento Muon g-2 al Fermilab conferma il risultato dell’esperimento eseguito al Brookhaven National Lab vent’anni fa. Insieme, i due risultati mostrano una forte evidenza che i muoni divergono dalla previsione del MS (fonte: Ryan Postel, Fermilab/Muon g-2 collaboration)
Conclusioni
Dovremmo allora cestinare il Modello Standard e ricominciare daccapo?
Per fortuna no, molto probabilmente i pezzi del puzzle ancora mancanti si integreranno con quanto già conosciuto, esattamente così come è successo negli anni 30: in fondo questo Modello è stato capace di fare previsioni molto precise e si adatta perfettamente a molte facce della fisica che noi conosciamo; sarà un po’ come per le Leggi di Newton, che, pur essendo imperfette soprattutto alle alte velocità ed energie dove entrano in gioco le Leggi della Relatività, nel mondo quotidiano si adattano benissimo alla realtà di tutti i giorni.