Il modello standard della fisica delle particelle, o semplicemente modello standard, è la teoria fisica che descrive le interazioni fondamentali (eccetto l'interazione gravitazionale): l'interazione elettromagnetica, l'interazione debole e l'interazione forte, e classifica tutte le particelle elementari conosciute.
Sviluppato in varie fasi nel corso della seconda metà del XX secolo, ha conosciuto la formulazione attuale negli anni settanta, in seguito alla conferma sperimentale dell'esistenza dei quark. Da allora, la prova del quark top (1995), del neutrino tau (2000) e del bosone di Higgs (2012) ne hanno consolidato la credibilità. Inoltre, il modello standard ha predetto con grande accuratezza varie proprietà delle correnti deboli neutre e dei bosoni W e Z.
Sebbene sia ritenuto coerente dal punto di vista teorico, e abbia fornito predizioni sperimentali, non incorporando l'interazione gravitazionale (come formulata dalla relatività generale), e lasciando alcuni fenomeni irrisolti, il modello standard non costitusce una cosiddetta teoria del tutto. Ad esempio, non spiega appieno l'asimmetria barionica, non tiene conto dell'espansione accelerata dell'universo (e di conseguenza dell'energia oscura), non prevede alcuna plausibile particella di materia oscura, non spiega le oscillazioni dei neutrini e di conseguenza la loro massa.
Dal punto di vista della fisica teorica, rappresenta un paradigma di teoria quantistica dei campi, esibendo una vasta gamma di fenomeni, tra cui la rottura spontanea di simmetria, le anomalie e comportamenti non perturbativi. Sotto l'aspetto matematico, è una teoria di Yang-Mills, ovvero una teoria di gauge non abeliana, rinormalizzabile e coerente con la relatività ristretta.
Storia L'unificazione delle interazioni elettromagnetica e debole nel modello standard è dovuta a Steven Weinberg e Abdus Salam, che indipendentemente (rispettivamente nel 1967 e 1968S. Weinberg, A Model of Leptons, Phys. Rev.Lett., 19 1264-1266 (1967).) estesero e completarono una prima formulazione di Sheldon Glashow basata su una teoria di Yang-Mills con gruppo di gauge SU(2)×U(1)S. Glashow, Partial-symmetries of weak interactions, Nucl. Phys., 22, issue 4, 579-588 (1961), che incontrava difficoltà legate all'introduzione diretta delle masse dei bosoni vettori intermedi. Weinberg e Salam integrarono il lavoro di Glashow con la proposta di Peter Higgs e altri di rottura spontanea di simmetria di un campo scalare ubiquitarioP. W. Higgs, Broken Symmetries, Massless Particles and Gauge Fields, Phys. Lett., 12, 132 (1964),P. W. Higgs, Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons, Phys. Rev. Lett., 13 508 (1964), pagine 321–323, che permette di dare origine alle masse di tutte le particelle descritte nel modello. Dopo la scoperta al CERN dell'esistenza delle correnti neutre deboliF. J. Hasert et al., Search for elastic muon-neutrino electron scattering, Phys. Lett., 46B. pag. 121 (1973).F. J. Hasert et al., Phys. Lett., 46B,pag. 138, (1973).F. J. Hasert et al., Observation of neutrino-like interactions without muon or electron in the Gargamelle neutrino experiment, Nucl. Phys., B73, pag. 1, (1974).D. Haidt The discovery of the weak neutral currents, 2004, dal CERN courier mediate dal bosone Z, come previsto dalla loro teoria, Weinberg, Salam e Glashow furono insigniti del premio Nobel per la fisica nel 1979.
Il modello standard come proposto in origine era limitato ai soli leptoni. I quark, la cui teoria aveva cominciato ad essere elaborata negli anni sessanta, furono introdotti successivamente nel modello grazie anche a un lavoro cruciale del 1970 dello stesso Glashow, John Iliopoulos e Luciano Maiani, che introdussero un quarto quark, detto charm, che aveva lo scopo di sopprimere fortemente le correnti a cambiamento di stranezza (meccanismo GIM). Con la successiva scoperta della libertà asintotica, a metà circa degli anni settanta la delineazione del modello standard poteva dirsi conclusa.
Le particelle elementari nel Modello standard
Nel Modello standard le particelle elementari sono raggruppate in due tipologie principali sulla base della statistica a cui obbediscono e di conseguenza dello spin:
I fermioni, ovvero i quark e i leptoni, aventi spin semintero.
Tutta la materia ordinaria che osserviamo nel mondo macroscopico è costituita da quark e leptoni: gli atomi sono composti da un nucleo ed uno o più elettroni, che sono i più leggeri tra i leptoni carichi. Il nucleo è costituito a sua volta da protoni e neutroni che sono composti ciascuno da tre quark.
I fermioni sono raggruppati in famiglie, tre per i leptoni e tre per i quark. Le tre famiglie di leptoni comprendono ciascuna una particella carica (rispettivamente elettrone, muone e tau) ed un corrispondente neutrino. A differenza dei quark, i leptoni non posseggono alcuna carica di colore e quindi su di loro la forza nucleare forte non ha effetto.
Le tre famiglie di quark prevedono ciascuna un quark di carica ed uno di carica . I quark più leggeri sono up (u) e down (d), che combinati secondo lo schema uud formano il protone (di carica ), mentre combinati secondo lo schema udd formano il neutrone (di carica ).
I bosoni, noti anche come bosoni vettoriali o bosoni di gauge in quanto la loro esistenza viene introdotta in base a un principio di simmetria detta "simmetria di gauge", aventi spin intero.
I bosoni risultano essere le particelle mediatrici delle interazioni fondamentali: il fotone per l'interazione elettromagnetica, i due bosoni carichi W ed il bosone Z per l'interazione debole e i gluoni per l'interazione forte.
Nel Modello standard è anche prevista la presenza di almeno un bosone di Higgs,estensioni del Modello standard, detti modelli non minimali, prevedono più bosoni di Higgs la cui massa non era quantificata dal modello e che è stata verificata attraverso i due esperimenti ATLAS e CMS presso il CERN nel 2012 (vedi più avanti l'apposito paragrafo).
I gravitoni, bosoni ipotetici che si pensa medino l'interazione gravitazionale in una possibile formulazione quantistica, non sono considerati nel Modello standard.
Le tre generazioni di fermioni I fermioni possono essere raggruppati in base alle loro proprietà di interazione in tre generazioni. La prima è composta da elettroni, neutrini elettronici e dai quark up e downPer i nomi dei quark è praticamente in disuso la traduzione in italiano di quark su e giù. Tutta la materia ordinaria è costituita, come si è visto, da elettroni e dai quark up e down. Le particelle delle due generazioni successive hanno massa maggiore delle precedenti (per quanto ne sappiamo; per i neutrini le attuali misure non permettono una misura diretta della massa, ma solo dei valori assoluti delle differenze di massa). A causa della loro maggior massa, i leptoni ed i quark della seconda e terza famiglia (o le particelle da essi costituite) possono decadere in particelle più leggere costituite da elementi della prima famiglia. Per questo, queste particelle sono instabili e presentano una breve vita media. +Organizzazione dei Fermioni 1ª generazione2ª generazione3ª generazioneQuarkUpCharmTopDownStrangeBottomLeptoniNeutrinoelettronicoNeutrinomuonicoNeutrinotauonicoElettroneMuoneTau
I quark possiedono una carica di colore, che li rende soggetti alla forza nucleare forte e che è mediata dai gluoni. Come già detto, i gluoni sono dotati a loro volta di carica di colore e possono interagire tra di loro. Per questo motivo, e per l'elevato valore della costante di accoppiamento forte, la forza forte aumenta con l'aumentare della distanza e fa sì che i quark e i gluoni non possano essere mai osservati liberi nella materia ordinaria, ma solo combinati in stati che hanno carica di colore totale nulla.
Gli stati di colore neutro dei quark sono detti adroni, e si dividono in barioni, di tipo fermionico, composti da tre quark (come neutroni e protoni), e mesoni, di tipo bosonico, composti da una coppia quark-antiquark (come i pioni). La massa totale di tali particelle supera quella dei singoli componenti a causa dell'energia di legame. Gli stati neutri dei gluoni prendono il nome inglese di glueball (palle di colla).
Oltre a questi stati legati sono stati ipotizzati anche stati cosiddetti "esotici" costituiti da diverse combinazioni, come i tetraquark e i pentaquark, di cui non esistono tuttavia evidenze sperimentali definitive.
L'unificazione delle forze fondamentali
Il Modello standard rappresenta un esempio di unificazione delle interazioni fondamentali perché le interazioni elettromagnetiche e deboli sono entrambe diverse manifestazioni a bassa energia di un'unica interazione che prende il nome di forza elettrodebole. Altri esempi di unificazione sono avvenuti storicamente: Isaac Newton attribuì ad un'unica forza di gravità sia la caduta dei gravi che il moto dei pianeti. Questa unificazione prese il nome di gravitazione universale. James Clerk Maxwell, con le sue equazioni, unificò le forze elettriche e magnetiche in un'unica interazione elettromagnetica. Questa unificazione descrive anche le onde elettromagnetiche, come le onde radio usate nelle telecomunicazioni, le onde luminose, i raggi x e i raggi gamma.
Molti fisici delle particelle ritengono che sia possibile un'unificazione delle forze ancora più profonda. L'interazione elettrodebole e quella forte, infatti, sono caratterizzate da due costanti di accoppiamento distinte nel Modello standard, ma la loro estrapolazione ad alte energie sembra indicare una possibile unificazione.
Il Modello Standard non comprende la gravità, la cui trattazione in relatività generale non è ad oggi compatibile con la meccanica quantistica.
Il principio di simmetria nel Modello standard
Alla base della formulazione del Modello standard viene posto un principio di simmetria fondato sulla teoria di Yang-Mills. La simmetria consiste nell'invarianza della teoria sotto opportune trasformazioni locali, dette trasformazioni di gauge. L'invarianza di gauge garantisce la coerenza matematica e la predittività della teoria, ossia quella che tecnicamente viene definita rinormalizzabilità.
Le interazioni fondamentali vengono rappresentate nel gruppo unitario SU(2)×U(1)×SU(3), costituito dal prodotto di SU(2)×U(1) che descrive le interazioni elettromagnetiche e deboli (unificate nell'interazione elettrodebole), con SU(3) che descrive le interazioni forti. La descrizione delle interazioni elettromagnetiche attraverso il gruppo U(1) prende il nome di elettrodinamica quantistica, o QED, mentre la descrizione delle interazioni forti attraverso il gruppo SU(3) prende il nome di cromodinamica quantistica, o QCD.
A ogni gruppo considerato corrispondono i bosoni vettori, che, come già detto, sono i mediatori delle forze osservate in natura e il cui numero dipende da quello dei generatori, che è una proprietà matematica del gruppo stesso. Al sottogruppo SU(2)×U(1) corrispondono il fotone, mediatore dell'interazione elettromagnetica, ed i bosoni W (carichi) e Z (neutro), mediatori dell'interazione debole, mentre al sottogruppo SU(3) corrispondono otto gluoni, dotati di carica di colore e per questo soggetti a loro volta alla forza forte (a differenza dei fotoni, che hanno carica elettrica nulla). Ciò può essere messo in relazione al fatto che SU(3) è un gruppo non abeliano. Similmente avviene per i bosoni W e Z che possono interagire tra loro. Questa proprietà è stata verificata sperimentalmente, in particolare all'acceleratore LEP del CERN..
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