Modello standard

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Introduzione

Modello standard Teoria fisica che descrive tutte le attuali conoscenze nel campo delle particelle elementari e delle forze che regolano le interazioni fondamentali della natura.

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Tre famiglie di particelle

Secondo la teoria quantistica relativistica (QFT), la materia è costituita da particelle dette fermioni, che interagiscono per mezzo di quattro forze fondamentali, mediante lo scambio di altri tipi di particelle elementari dette bosoni. Queste due grandi classi di particelle si distinguono per il valore dello spin, che è sempre semi-intero nelle prime e intero nelle seconde. Ciò ha profonde implicazioni sul loro comportamento statistico, e sul modo in cui esse interagiscono con le altre particelle.

Nel Modello standard, i fermioni sono raggruppati in tre famiglie, in ciascuna delle quali compaiono solo alcuni tipi di quark e di leptoni. La prima famiglia, composta dai quark e dai leptoni di massa minore, contiene i due quark up e down, l'elettrone, il suo neutrino, e le relative antiparticelle. Tutta la materia che appare in natura, compreso l’essere umano, è costituita di particelle che appartengono a questa prima famiglia, che è pure quella delle particelle più leggere. I quark up e down, infatti, si combinano in gruppi di tre per formare i neutroni e i protoni, che a loro volta si combinano nei nuclei atomici, i quali, insieme agli elettroni, costituiscono gli atomi. I neutrini elettronici sono tra i prodotti di decadimento dei fenomeni di radioattività beta: in particolare nel decadimento del protone in un neutrone, un positrone e un neutrino elettronico. Le particelle che fanno parte delle altre due famiglie di fermioni non sono presenti nella materia ordinaria, ma vengono create mediante i processi indotti in potenti acceleratori di particelle. Nella seconda famiglia sono raggruppati i quark charm e strange, il muone e il neutrino muonico, con le rispettive antiparticelle. La terza famiglia infine contiene i quark top e bottom, la particella tau e il neutrino tauonico, e le rispettive antiparticelle. La massa dei quark e dei leptoni della seconda e terza famiglia aumenta progressivamente rispetto a quelle della prima: il muone e il tau hanno massa rispettivamente circa 200 e 3600 volte maggiore di quella dell’elettrone. Il più pesante fra i quark è il quark top, che ha massa 17.500 volte maggiore del suo corrispondente nella prima famiglia, il quark up. Per indicare le particelle fin qui menzionate, si utilizza abitualmente l’iniziale del nome: e, µ, t rispettivamente per elettrone, muone e tau; u, d, c, s, t, d per i sei quark. Le antiparticelle vengono distinte con una sbarra sul simbolo della rispettiva particella.

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La conferma sperimentale

I fisici non riescono a motivare il fatto che la natura abbia scelto di organizzare le particelle in tre famiglie, ma la conferma sperimentale che questa struttura sia proprio quella reale è venuta dai risultati ottenuti con l’acceleratore LEP del laboratorio CERN di Ginevra alla fine del 1995. Il risultato sperimentale è stato ottenuto tramite misure molto precise della massa del bosone Z, il cui valore, risultato pari a 91,1884 +/- 0,0022 GeV (miliardi di elettronvolt) è consistente solo con l’esistenza di tre famiglie di particelle. La precisione estrema della misura fornisce una delle verifiche più stringenti del Modello standard.

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I mediatori delle forze

I bosoni principali sono i gluoni, che mediano l'interazione nucleare forte; il fotone, che media l'interazione elettromagnetica; le particelle W e Z, che trasportano la forza nucleare debole; e il gravitone, che i fisici ritengono responsabile della mediazione della forza gravitazionale, sebbene la sua esistenza non sia stata ancora confermata sperimentalmente. La QFT relativa all'interazione nucleare forte prende il nome di cromodinamica quantistica; la QFT relativa all'interazione elettromagnetica e a quella nucleare debole è detta invece teoria elettrodebole.