Fisica, Particelle

Modello Standard: che roba è?

Di questi tempi noi appassionati di scienza, seguendo l’evoluzione degli studi nei diversi campo della fisica, vediamo sempre più spesso citato negli articoli e nelle interviste quello che viene chiamato dai fisici delle particelle Modello Standard. Per appagare la nostra curiosità penso sia bene scrivere due righe (meno tecniche possibili) per dare consistenza (massa?!) a queste due parole e quindi collocarle meglio nel quadro scientifico moderno quando le si sente citate da addetti ai lavori e da giornalisti.

Il modello standard della fisica delle particelle elementari comprende la teoria dell’interazione elettrodebole  e della cromodinamica quantistica. Cerchiamo dopo questa definizione un po’ ermetica di elencare cosa questa teoria prevede e cose fino ad ora è stato verifica sperimentalmente per sostenerne la validità.

Oltre alla gravità conosciamo tre tipi di interazioni elementari (forze), con struttura molto simile. Ciascuna è mediata dallo scambio di un bosone:

Interazione Si accoppia a Particella/e scambiata/e Massa
Forte Carica nucleare forte Gluoni 0
Elettromagnetismo Carica elettrica Fotone 0
Debole Radioattività W, Z 100

Oltre ai bosoni citato sopra ci sono altre particelle fondamentali, i quark e i leptoni. Questi sono fermioni e sono raggruppati secondo le loro masse in tre famiglie o generazioni:

Fermioni Famiglia
Leptoni Neutrino elettronico
Neutrino muonico
Neutrino tau
ElettroneMuone
Tau
Quark UpCharmTopDownStrangeBottom

Ad ogni fermione è associate un antifermione. Esso possiede la stessa massa del fermione, ma carica elettrica e altre caratteristiche opposte.

Il raggio di interazione dell’interazione elettromagnetica è infinito e questo è conseguenza che i fotoni sono privi di massa. Nel caso dei bosoni dell’interazione debole, il valore elevato della loro massa limita il loro raggio d’azione a 10-3 fm (femtometri = 10-15 metri). I gluoni hanno massa nulla eppure il raggio d’interazione forte ha un valore finito, a causa dell’interazione fra i gluoni stessi. L’interazione elettromagnetica e quella debole possono essere viste come due manifestazioni di un’unica interazione.

Esistono delle leggi che descrivono la conservazione di alcune quantità a seconda delle interazioni considerate:

  • Le seguenti quantità di conservano in tutte e tre le interazioni: Energia, Impulso, Momento Angolare, Carica, Colore, numero Barionico, e i tre numeri Leptonici.
  • Le quantità C (coniugazione di carica) e P (parità) si conservano nei processi di interazione elettromagnetica e forte ma non in quello di tipo debole. E’ conosciuto solo un caso in cui la combinazione di C e P non viene conservata.
  • I numeri quantici(isospin, stranezza, charm) che determinano il sapore di un quark si conservano nell’interazioni elettromagnetiche e forti ma non delle interazioni deboli.
  • L’isospin si conserva in tutte le interazioni.

In conclusione di queste caratteristiche tecniche del modello standard possiamo dire che ben si accorda con i dati sperimentali fin ora ottenuti. Questo ci porta ad avere una visione solida dei costituenti fondamentali della materia e delle loro interazioni.
Questo però non ci permette di dire che il modello sia completo in quanto esistono ancora delle sfide che deve superare:

  1. Il modello contiene ben 18 o più parametri liberi, come le masse delle particelle e le costanti di accoppiamento, che devono essere determinati sperimentalmente, ma tutte queste masse non sono forniti dal modello e ne possono essere calcolato. Devono essere misurati sperimentalmente e inseriti, ad hoc, nel modello.
  2. Il modello standard non prevede massa per i neutrini, perché?
  3. Esiste il Bosone di Higgs?
  4. Qual è l’origine della violazione di CP?
  5. Sarà possibile descrivere col Modello Standard anche l’interazione gravitazionale?
  6. Perché esistono solo 4 tipi di Interazione?

Queste sono solo alcune delle maggiori domande che i fisici si fanno rispetto al modello standard e ci dicono che i teorici vedono spiegazioni ancora più profonde dei fenomeni osservati e quindi  in futuro nuovi esperimenti saranno chiamati a rispondere a questi ed altri interrogativi cercando di scavare sempre più in profondità nei fenomeni e nei mattoni che costituiscono l’universo.

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Discussione

2 pensieri su “Modello Standard: che roba è?

  1. Ciao! Mi chiamo Federico, sono uno studente di Fisica. Son capitato per caso qui sul tuo blog e devo dire che mi piace, oltre al fatto che condivido totalmente l’idea di fare della divulgazione scientifica!

    Riguardo alla domanda 5) dell’articolo, la risposta è sicuramente no. L’interazione gravitazionale non è rinormalizzabile e quindi la vedo dura a includerla nel modello standard attraverso lievi modifiche di quest’ultimo. Serve qualcosa di nuovo, e ci sono vari tentativi (stringhe, LQG, twistori e altro)

    Se ti va passa a visitare il mio blog. Anch’io tratto di divulgazione ed è aperto da poco!
    http://fantafisicando.wordpress.com/
    Ciao!

    Pubblicato da fedecart | 10 novembre 2012, 21:34
    • Federico! mi fa molto piacere ricevere questo tuo commento e sopratutto sapere che ci sono persone che come me amano fare divulgazione perchè ne sentono il bisogno difronte a questa sterminata falsa-conoscenza che alle soglie del 2013 ancora dilaga, specialmente grazie al web. Ma è proprio il web coi nostri blogs e altri che deve invece remare in direzione opposta. Quindi spero i nostri sforzi possano davvero invitare ad una conoscenza più critica e appassionata così da permettere di godere al meglio della fantastica natura che ci circonda.

      Riguardo la domanda 5. Non sarei così categorico, anche perchè come ben saprai le teorie che cercano di includere la gravità nelle teorie quantistiche (v. Modello Standard) non sono ancora state provate, ma nemmeno falsificate. Proprio in questo periodo sto leggeto un libro di Smolin, L’universo senza Stringhe, che spero mi chiarisca meglio quale sia la situazione attuale delle teorie unificanti.

      PS: ho aggiunto il tuo blog nel mio blogroll.

      Pubblicato da Marco | 11 novembre 2012, 10:03

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