Il modello standard. Che nome noioso per la teoria scientifica più accurata conosciuta dagli esseri umani.

Più di un quarto dei Premi Nobel per la fisica del secolo scorso sono input diretti o risultati diretti del Modello Standard. Eppure il suo nome suggerisce che se puoi permetterti qualche dollaro in più al mese dovresti acquistare l'aggiornamento. Come fisico teorico, Preferirei La Teoria Assolutamente Sorprendente di Quasi Tutto. Questo è il vero modello standard.

Molti ricordano l'eccitazione tra scienziati e media per la scoperta del bosone di Higgs nel 2012. Ma quell'evento tanto clamoroso non è venuto fuori dal nulla:ha chiuso una striscia di imbattibilità di cinque decenni per il modello standard. Ogni forza fondamentale, tranne la gravità, è inclusa in essa. Ogni tentativo di ribaltarlo per dimostrare in laboratorio che va sostanzialmente rielaborato – e ce ne sono stati tanti negli ultimi 50 anni – è fallito.

In breve, il Modello Standard risponde a questa domanda:di cosa è fatto tutto, e come si tiene insieme?

I mattoni più piccoli

Sai, Certo, che il mondo intorno a noi è fatto di molecole, e le molecole sono fatte di atomi. Il chimico Dmitri Mendeleev lo capì nel 1860 e organizzò tutti gli atomi, cioè, gli elementi – nella tavola periodica che probabilmente hai studiato alle medie. Ma ci sono 118 diversi elementi chimici. c'è antimonio, arsenico, alluminio, selenio … e altri 114.

Ai fisici piacciono le cose semplici. Vogliamo ridurre le cose alla loro essenza, alcuni elementi costitutivi di base. Oltre un centinaio di elementi chimici non è semplice. Gli antichi credevano che tutto fosse composto da soli cinque elementi:terra, acqua, fuoco, aria ed etere. Il cinque è molto più semplice del 118. È anche sbagliato.

Nel 1932, gli scienziati sapevano che tutti quegli atomi sono fatti di sole tre particelle:neutroni, protoni ed elettroni. I neutroni e i protoni sono legati insieme strettamente nel nucleo. Gli elettroni, migliaia di volte più leggero, ruotano intorno al nucleo a velocità prossime a quella della luce. Fisici Planck, Bohr, Schroedinger, Heisenberg e i suoi amici avevano inventato una nuova scienza, la meccanica quantistica, per spiegare questo movimento.

Sarebbe stato un posto soddisfacente dove fermarsi. Solo tre particelle. Tre è ancora più semplice di cinque. Ma tenuti insieme come? Gli elettroni con carica negativa e i protoni con carica positiva sono legati insieme dall'elettromagnetismo. Ma i protoni sono tutti ammassati insieme nel nucleo e le loro cariche positive dovrebbero allontanarli con forza. I neutroni neutri non possono aiutare.

Cosa lega insieme questi protoni e neutroni? "Intervento divino" mi disse un uomo all'angolo di una strada di Toronto; aveva un opuscolo, Potrei leggere tutto su di esso. Ma questo scenario sembrava un sacco di guai anche per un essere divino:tenere sotto controllo ognuno dei 10⁸⁰ protoni e neutroni dell'universo e piegarli alla sua volontà.

Espandere lo zoo delle particelle

Nel frattempo, la natura ha crudelmente rifiutato di mantenere il suo zoo di particelle a soli tre. Davvero quattro, perché dovremmo contare il fotone, la particella di luce descritta da Einstein. Quattro sono cresciuti fino a cinque quando Anderson ha misurato gli elettroni con carica positiva - positroni - che colpiscono la Terra dallo spazio. Almeno Dirac aveva previsto queste prime particelle di antimateria. Cinque divennero sei quando il pione, che Yukawa aveva predetto avrebbe tenuto insieme il nucleo, è stato trovato.

Poi venne il muone - 200 volte più pesante dell'elettrone, ma per il resto un gemello. "Chi l'ha ordinato?" io Rabi ha scherzato. Questo riassume. Numero sette. Non solo non semplice, ridondante.

Negli anni '60 c'erano centinaia di particelle "fondamentali". Al posto della tavola periodica ben organizzata, c'erano solo lunghi elenchi di barioni (particelle pesanti come protoni e neutroni), mesoni (come i pioni di Yukawa) e leptoni (particelle leggere come l'elettrone, e gli sfuggenti neutrini) – senza organizzazione e senza principi guida.

In questa violazione si è insinuato il Modello Standard. Non è stato un lampo di splendore notturno. Nessun Archimede è saltato fuori da una vasca da bagno gridando "eureka". Anziché, c'è stata una serie di intuizioni cruciali da parte di alcuni individui chiave a metà degli anni '60 che hanno trasformato questo pantano in una semplice teoria, e poi cinque decenni di verifica sperimentale ed elaborazione teorica.

quark. Sono disponibili in sei varietà che chiamiamo sapori. Come il gelato, tranne che non altrettanto gustoso. Al posto della vaniglia, cioccolato e così via, ci siamo alzati, fuori uso, strano, fascino, inferiore e superiore. Nel 1964, Gell-Mann e Zweig ci hanno insegnato le ricette:mescola e abbina tre quark qualsiasi per ottenere un barione. I protoni sono due quark up e un quark down legati insieme; i neutroni sono due down e un up. Scegli un quark e un antiquark per ottenere un mesone. Un pione è un quark up o down legato a un anti-up o un anti-down. Tutto il materiale della nostra vita quotidiana è fatto solo di quark up e down, anti-quark ed elettroni.

Semplice. Bene, semplice, perché tenere legati quei quark è un'impresa. Sono legati l'uno all'altro così strettamente che non troverai mai un quark o un antiquark da solo. La teoria di quel legame, e le particelle chiamate gluoni (ridacchia) che sono responsabili, si chiama cromodinamica quantistica. È un pezzo fondamentale del Modello Standard, ma matematicamente difficile, anche ponendo un problema irrisolto di matematica di base. Noi fisici facciamo del nostro meglio per calcolare con esso, ma stiamo ancora imparando come.

L'altro aspetto del Modello Standard è "Un Modello di Leptoni". Questo è il nome del documento di riferimento del 1967 di Steven Weinberg che ha riunito la meccanica quantistica con i pezzi vitali della conoscenza di come interagiscono le particelle e ha organizzato i due in un'unica teoria. Incorporava il familiare elettromagnetismo, si unì a quella che i fisici chiamavano "la forza debole" che causa certi decadimenti radioattivi, e spiegò che erano aspetti diversi della stessa forza. Incorporava il meccanismo di Higgs per dare massa alle particelle fondamentali.

Da allora, il Modello Standard ha previsto i risultati di esperimento dopo esperimento, inclusa la scoperta di diverse varietà di quark e dei bosoni W e Z – particelle pesanti che sono per le interazioni deboli ciò che il fotone è per l'elettromagnetismo. La possibilità che i neutrini non siano privi di massa è stata trascurata negli anni '60, ma è scivolato facilmente nel Modello Standard negli anni '90, qualche decennio di ritardo alla festa.

Alla scoperta del bosone di Higgs nel 2012, a lungo previsto dal Modello Standard e a lungo ricercato, è stata un'emozione ma non una sorpresa. È stata l'ennesima vittoria cruciale per il Modello Standard sulle forze oscure che i fisici delle particelle hanno ripetutamente avvertito che si profilavano all'orizzonte. Preoccupato che il Modello Standard non incarnasse adeguatamente le loro aspettative di semplicità, preoccupato per la sua autoconsistenza matematica, o guardando avanti all'eventuale necessità di portare la forza di gravità nell'ovile, i fisici hanno avanzato numerose proposte di teorie al di là del Modello Standard. Questi portano nomi entusiasmanti come Grand Unified Theories, Supersimmetria, tecnico, e teoria delle stringhe.

Purtroppo, almeno per i loro sostenitori, Le teorie al di là del Modello Standard non hanno ancora previsto con successo alcun nuovo fenomeno sperimentale o alcuna discrepanza sperimentale con il Modello Standard.

Dopo cinque decenni, lungi dal richiedere un aggiornamento, il Modello Standard è degno di essere celebrato come la Teoria Assolutamente Sorprendente di Quasi Tutto.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.