Questo articolo è stato inserito nella sezione d'archivio "Dall'atomo alle galassie".

Ebbene sì, voglio provarci, semplificando il tutto e attribuendogli solo un asterisco. I più esperti non mi guardino male, dato che bisogna pure incominciare...

Il Modello Standard (MS) è la teoria fisica che descrive tre delle quattro interazioni fondamentali e tutte le particelle elementari ad esse collegate e, al momento, conosciute.

Intorno a noi vi è materia… noi stessi siamo fatti di materia, così come i più grandi oggetti del Cosmo e le più piccole cose che riusciamo a vedere. Tutto ciò che esiste è, quindi, una costruzione. Al pari di una casa, esistono palazzi giganteschi e minuscole abitazioni. Entrambi, però, sono composti da mattoni (al limite da cemento che è composto da sabbia, da altre particelle piccolissime e da acqua).

L’uomo si è sempre chiesto: “Qual è la più piccola parte di materia capace di costruire tutto ciò che ci circonda?”. Potremmo dire i mattoni, ma i mattoni possono essere divisi in strutture ancora più piccole. Così come qualsiasi forma di materia, benché apparentemente diversa, potrebbe benissimo essere costruita utilizzando sempre e comunque pochissime –e sempre uguali- particelle INDIVISIBILI. Questa è la realtà. Una realtà che ci porta in un mondo in cui la realtà quotidiana e le sue leggi vengono completamente sconvolte. Stiamo ovviamente parlando della meccanica quantistica, quell’insieme di azioni e di risposte che riescono a formare qualsiasi oggetto materiale.

Se continuassimo a osservare la composizione della materia con microscopi sempre più potenti potremmo in un primo tempo concludere che le particelle più piccole, indivisibili, siano le molecole. E, invece, no: le molecole sono le strutture più piccole che riescano a caratterizzare un composto chimico, come ad esempio l’acqua. Ma esse non sono affatto indivisibili, poiché si vedrebbe che sono formate da atomi, la cosa più piccola che caratterizza un elemento chimico, come l’ossigeno, il ferro, lo stesso caotico uranio.

NOTA: facciamo un esempio molto più “astronomico” che abbiamo usato spesso. I pianeti rocciosi sono formati da mattoni primordiali che si sono uniti assieme: gli asteroidi. Gli asteroidi, però, sono formati da un insieme di composti chimici, ossia da molecole diverse tra di loro (e lo vediamo molto bene nelle meteoriti, pezzetti di asteroidi). Ogni molecola, però, è composta da un mix di atomi che possono, pur rimanendo gli stessi, formare molecole del tutto diverse.

Un concetto del tutto nuovo, frutto della scienza più moderna? In realtà no! Già nel 400 a.C. Democrito aveva pensato a una teoria atomica della materia, formata da particelle (atomi) indivisibili e in continuo movimento. Una visione geniale, ma senza possibilità di conferma, ritenuta troppo a lungo blasfema per essere studiata dalla scienza ufficiale. Per saperne di più consiglio questo articolo, che fa parte di uno ben più generale.

Sono loro le particelle più piccole, quelle che non possono essere più divise? No, dato che gli atomi, pur avendo caratteristiche diverse sono composti TUTTI da particelle ancora più piccole. Questo, ovviamente, Democrito non poteva minimamente ipotizzarlo.

A questo punto, per semplificare di molto le cose, possiamo permetterci di considerare questi mattoni veramente piccolissimi come effettivi grumi di materia con una certa massa, al pari di granelli di sabbia finissima. Commettiamo un grave errore, dato che, come dicevamo prima, le leggi che governano queste particelle sono ben diverse da quelle della nostra vita quotidiana e portano a identificare, molto spesso, ciò che noi intendiamo per massa con quello che intendiamo per energia. L’errore che si commette è però trascurabile per lo scopo di questo articolo estremamente divulgativo. D’ora in poi, quindi, consideriamo come vere particelle anche ciò che è qualcosa di molto più ambiguo e dalla duplice personalità.

Prepariamoci, intanto, una bella Tabella "vuota" in cui inserire un po' alla volta le nostre particelle, sapendo però già come sarà alla fine…  e quindi già "abbellita" di nomi e numeri.

I nostri atomi sono, perciò, composti da due parti ben distinte: esteriormente dai piccolissimi elettroni e nella zona centrale da un nucleo decisamente più grande. Proprio il numero degli elettroni  e di ciò che sta dentro al nucleo caratterizza il comportamento e l’aspetto di qualsiasi atomo. A questo punto, siamo riusciti a localizzare la prima particella veramente indivisibile, l’elettrone. Essa ha una massa decisamente piccola, ma mai uguale a zero. Come detto (ma non lo ripetiamo più) sarebbe meglio parlare di energia, ma permettiamoci pure questa enorme approssimazione.

Inseriamolo, perciò, nella Tabella. Questa particella, come tutte le altre che incontreremo, deve interagire con il nucleo, perché solo in questo modo può realmente costruire qualcosa. Identifichiamola con la lettera e.

Elettroni e nucleo si sentono attratti, ma devono anche mantenere le distanze, da cui il continuo e frenetico movimento degli elettroni, giustamente terrorizzati dal cadere vittime dell’attrazione nucleare. Devono perciò sempre correre attorno al nucleo, anche se a distanze diverse per non creare aggregazioni di particelle, non permesse dalle strane regole del microcosmo (loro sì che sono bene organizzate!). Hanno, comunque, la possibilità di interagire continuamente tra di loro e con il nucleo attraverso una forza fondamentale, quella che viene chiamata forza o, forse meglio, interazione elettromagnetica. La conosciamo tutti ed è quella che ci permette di accendere la luce e di far funzionare quasi tutte le comodità del giorno d’oggi.

Tuttavia, il suo vero compito è quello di permettere la comunicazione degli elettroni con loro stessi e con le altre particelle. Loro non usano, però, parole, bensì messaggeri che trasportano informazioni, come le vecchie lettere o le email del giorno d’oggi. Sono  messaggeri estremamente più veloci, anzi hanno la massima possibile velocità, quella della “luce”, appunto. Per andare così veloci questi messaggeri devono rinunziare alla propria massa (pur possedendola sotto forma di energia) e vengono chiamati fotoni. Inseriamo anche loro nella nostra Tabella, in  quanto “particelle” sicuramente indivisibili, con il simbolo γ.

A questo punto non solo abbiamo definito due mattoncini fondamentali, ma sappiamo anche come sono legati tra loro e con il resto della materia (in pratica, il nucleo). L’elettrone è una particella dotata di massa, mentre il fotone è il suo messaggero, senza massa, che trasporta l’informazione della interazione elettromagnetica.

Per completare la struttura di questa interazione, ci manca ancora una controparte, ossia se l’elettrone ha una carica negativa, ci serve una particella che abbia una carica positiva. Essa deve ovviamente stare dentro al nucleo e viene chiamata protone, enormemente più grande dell’elettrone, ma dotato della stessa carica elettrica del piccolo elettrone, soltanto con  il segno cambiato.

Possiamo inserire il protone dentro la nostra tabella? No, assolutamente no! Insieme al protone, dentro al nucleo, possono anche esserci particelle del tutto indifferenti rispetto alla forza elettromagnetica. Essi sono i neutroni. Apparentemente  identici ai protoni,  si comportano in modo ben diverso. No, c’è poco da fare, siamo costretti a guardare meglio e renderci conto che sia i protoni che i neutroni non possono essere particelle indivisibili. In realtà è proprio così: ognuno di loro è formato da tre particelle veramente indivisibili che sono state chiamate quark. Ne esistono solo due (poi torneremo sopra questo numero…) e vengono chiamati quark up e quark down, ossia sopra e sotto. In parole povere, possiamo tradurre queste due parole inglesi in base alla carica che esse posseggono: i quark up hanno una carica POSITIVA pari a 2/3 di quella negativa dell’elettrone. I quark down sono invece NEGATIVI, come l’elettrone, ma hanno una carica pari a solo 1/3 di quella dei fratellini che girano a debita distanza.

Abbiamo, però detto, che il protone deve avere la stessa carica opposta di quella dell’elettrone e allora la cosa migliore è mettere insieme due quark up e uno down. Infatti:

+ 2/3(quark up) + 2/3 (quark up) – 1/3 (quark down ) = + 4/3 - 1/3 =  + 3/3 = + 1 (carica dell’elettrone ma con segno +)

Beh… non sappiamo perché non si siano formati direttamente con carica uguale a + 1, come gli elettroni che hanno carica -1, ma questa è la strana realtà del microcosmo e dobbiamo accettarla!

Ecco, allora, però che diventa facilissimo creare uno strano protone, del tutto “neutro”, indifferente alla continua interazione tra elettrone e protone. Questo strano protone lo chiamiamo neutrone (neutro, appunto) ed è ovvio che sia composto da due quark down e da uno up. Infatti:

-1/3  (quark down) – 1/3 (quark down) + 2/3 (quark up) = 0 (carica nulla).

Bene, questi due quark possono fare il loro ingresso nella nostra Tabella che si sta riempiendo e li indichiamo con u e d.

Tuttavia, abbiamo detto che i quark devono stare assieme, ossia non possono andare dove vogliono. Per stare assieme devono sfruttare un’altra forza che, come tale, ha bisogno di messaggeri per agire. Questa forza (o interazione) è quella che viene chiamata forza nucleare forte. Essa riesce a mantenere unite le particelle elementari dei protoni e dei neutroni, ma deve pagare lo scotto di essere così “potente” e, diversamente da quella elettromagnetica, agisce solo su distanze veramente piccole, quanto basta però ai quark.  I messaggeri di questa forza sono chiamati gluoni (da glue che in inglese vuole proprio dire “colla”), considerati al momento di massa nulla. Essi sono fondamentali per tenere unito e rendere stabile il nucleo. Inseriamo anche il gluone nella Tabella e lo indichiamo con g.

A questo punto, potremmo anche dire di avere finito, in quanto è stata descritta completamente la struttura di qualsiasi atomo attraverso le tre particelle indivisibili (elettrone, quark up e quark down) e i relativi messaggeri delle loro interazioni. La forza elettromagnetica fa interagire cariche elettriche opposte, mentre la forza forte tiene unite i costituenti dei protoni e dei neutroni.

E, invece, non basta ancora. Finora, infatti, abbiamo descritto ciò che capita in condizioni normali, stabili, ma la materia non ama stare ferma e spesso e volentieri subisce violentissimi impatti (o cose del genere). In queste occasioni si creano altri  quattro quark con massa decisamente maggiore di quelli più tranquilli che costituiscono protoni e neutroni. La loro vita è però brevissima, così come nascono, spariscono immediatamente, ma, essendo legate a fenomeni oltremodo energetici, causano cambiamenti fondamentali. Immaginiamo, ad esempio, la caduta di un  asteroide sulla Terra. E’ un evento raro, non certo normale, ma quando capita, pur durando pochissimo, produce un’energia enorme e causa salti drastici e fondamentali nell’evoluzione della vita sul la Terra.

Questi quark legati a occasioni speciali e di brevissima durata si chiamano : quark strange e charm (non si traducono, ma potremmo chiamarli “strano” e “affascinante”o “magico”) e quark top e bottom (sopra e sotto o alto e basso). Essi sono di massa variabile, possono perfino essere più massicci dei protoni, e decadono rapidamente nei più normali quark up e down. Come detto sono stati scoperti negli esperimenti di laboratorio in cui si fanno collidere le particelle e sono strettamente legati a fenomeni altamente energetici come i raggi cosmici.

Andiamo, perciò a inserirli nella nostra Tabella, con i simboli s, c, t, b

La stessa cosa che capita ai quark (particelle fondamentali che costruisco i protoni e i neutroni), capita anche all’elettrone che può diventare, in condizioni simili, elettrone muone (sì... proprio lui, quello della Favola di Muo) e tauone . Anche loro hanno massa più grande. Non chiedetemi perché esistono solo tre forme di particelle elementari… questo è ancora un mistero e forse lo conosce solo Alice nel suo Paese delle Meraviglie (ma ha deciso di non svelarlo, almeno per il momento). Inseriamo anche loro con i simboli μ e τ.

Abbiamo visto che queste particelle pesanti decadono velocemente nelle particelle più leggere. Questo processo implica degli scambi tra particelle che posseggono carica e questo scambio (e decadimento) implica una terza forza, chiamata forza (o interazione) nucleare debole, di cui i messaggeri sono due bosoni chiamati W e Z. i quali, al contrario dei loro fratelli fotoni, posseggono una massa. Il bosone W possiede anche una carica unitaria sia positiva che negativa. Dobbiamo, perciò inserire anche loro nella Tabella.

Questa terza forza ha una grande importanza perché permette ai protoni e ai neutroni di trasformarsi uno nell’altro, ossia permettono di far diventare i quark up quark down e viceversa. Una stella come il Sole utilizza questa forza debole durante la sua reazione di fusione nucleare. D’altra parte è proprio ciò che capita nelle reazioni chiamate nucleari.

La Tabella, però non è ancora completata, dato che esistono altre tre particelle veramente timide o, quantomeno, sfuggenti e difficili da identificare: i neutrini. Essi subiscono praticamente solo gli effetti della gravità e interagiscono con le altre particelle solo attraverso la forza debole, forza che agisce  all’interno dei nuclei atomici. Ne segue che, pur essendo numerosissimi, possono attraversare la materia senza lasciare alcun segno tangibile, ricordando che un atomo è costituito soprattutto da vuoto, dato che se il nucleo avesse le dimensioni di una capocchia di spillo, il primo elettrone si troverebbe a ben 200 metri di distanza circa. I neutrini perciò hanno poche probabilità di mettersi in mostra se non quando vanno a colpire esattamente il nucleo di un atomo.

Noi siamo attraversati ad ogni secondo da miliardi e miliardi di neutrini creatisi nelle reazioni nucleari del Sole, ma non ce ne accorgiamo minimamente. Una specie di “materia” oscura, molto reale però, che invece di subire solo la forza gravitazionale, subisce anche  la forza debole. I neutrini, però, sono stati osservati, mentre la materia oscura NO.

I neutrini sono associati alle tre particelle della forza elettromagnetica, ossia l’elettrone, il muone e il tauone, per cui abbiamo il neutrino elettronico, muonico e tauonico, pronti per entrare nella Tabella come ν_e,ν_μ e ν_τ.

Essi, però, sono capaci di trasformarsi l'uno nell’altro: ad esempio, un neutrino che nasce come elettronico nel Sole, una volta giunto sulla Terra, può benissimo non interagire più con gli elettroni (mostrando poca… riconoscenza) e interagire solo con i muoni e/o i tauoni. Insomma, particelle dal carattere molto spigoloso e ancora in gran parte misterioso. Ad esempio, non è ancora del tutto sicuro che abbiano massa, anche se i più recenti esperimento gliela attribuiscono, benché piccolissima, fino a un milione di volte inferiore a quella del pur piccolissimo elettrone.

Potremmo anche trascurala? In realtà, nel modello standard viene considerata uguale a zero, ma ciò non vuol dire che siano particelle trascurabili, dato che il loro numero è veramente mostruoso: basterebbe ben poco e la loro massa totale potrebbe essere decisiva per il futuro dell’Universo e i più antichi fra loro potrebbero anche svelarci la sua nascita, dato che i neutrini sono nati immediatamente dopo il Big Bang e hanno potuto attraversare quell’ammasso troppo caldo che era l’Universo neonato.

In poche parole, essi potrebbero aver creato un rumore cosmico di fondo risalente a solo un secondo dopo il Big Bang e non a ben 380 000 anni più tardi, come quello elettromagnetico.

Ovviamente, tutte queste particelle hanno anche le loro copie con cariche invertite, ossia particelle di antimateria. Solo il fotone non ha un' antiparticella, ossia è antiparticella di se stesso. Forse anche i neutrini potrebbero essere come loro, dando così ragione al grandissimo Maiorana (ma questa è un’altra storia).

Possiamo, ora, spiegare o, quantomeno, decifrare i nomi e numeri inseriti fin dall'inizio: i fermioni sono tutte le particelle elementari che compongono la materia, i bosoni sono le particelle che trasportano l'informazione legata alla forza che rappresentano. I fermioni si dividono in quark (carica positiva o negativa, appartenenti al nucleo) e in leptoni (a carica negativa, esterno al nucleo). Il leptone per eccellenza è l'elettrone a cui è associato un neutrino privo di carica. Esistono, però, tre generazioni di particelle, di cui solo la prima è stabile, mentre le altre due decadono velocemente nella prima.

La Tabella, però, si è arricchita, recentemente, di un nuovo personaggio, estremamente massiccio e capace di regalare la massa a tutte le altre particelle: il bosone di Higgs (H). Un bosone diverso dagli altri, in quanto non è di tipo vettoriale, ma scalare. Tuttavia, non andiamo oltre dato che la semplicità scomparirebbe. Esso è capace di trasmettere una caratteristica fondamentale alle particelle elementari: la massa... e diciamo poco!

Per completare, aggiungiamo una figura che mostra le masse delle varie particelle messe a confronto. Attenzione, però: le dimensioni sono legate solo alla massa, dato che il raggio non ha alcun significato!

Come si è chiaramente visto abbiamo parlato solo di tre forze, senza nominare praticamente mai la gravità. Essa viene descritta estremamente bene dalla geometria dello spaziotempo di Einstein, ma sembra del tutto scollegata dal modello standard. Ha anch’essa dei messaggeri? Forse sì e dovrebbero essere i celebri gravitoni . Essi sarebbero molto simili  ai fotoni e, come perturbazioni di un campo, invierebbero l’informazione attraverso onde. Sarebbero perciò privi di massa e dovrebbero viaggiare alla velocità della luce. In realtà, le onde gravitazionali, hanno confermato di raggiungere questa velocità, ma finora non esiste nessuna descrizione quantistica della forza di gravità (QUI la spiegazione dell'ipotetico gravitone Nexus, offertaci da chi ne ha teorizzato l'esistenza).

E’ come se il Cosmo dell’infinitamente grande e dell'infinitamente piccolo fossero decritti con due linguaggi sicuramente precisi, ma del tutto inconciliabili l’uno con l’altro.

L’Universo è ancora pieno di misteri e il modello standard (anche se ben più complesso di quanto descritto in questo articolo) è solo una primo tentativo di descrivere il tutto…

 

Volete approfondire la conoscenza delle "fantastiche quattro" forze fondamentali della natura? QUI trovate una spiegazione semplice semplice e QUI ne trovate un'altra sempre semplice, ma un po' più tecnica.