Modello standard. Che nome stupido per la teoria scientifica più accurata conosciuta dall'umanità. Più di un quarto dei premi Nobel per la fisica del secolo scorso sono stati assegnati a opere che erano direttamente o indirettamente legate al Modello Standard. Il suo nome, ovviamente, è come se tu potessi comprare un miglioramento per un paio di centinaia di rubli. Qualsiasi fisico teorico preferirebbe la "straordinaria teoria di quasi tutto", che in realtà è.
Molti ricordano l'entusiasmo tra scienziati e media per la scoperta del bosone di Higgs nel 2012. Ma la sua scoperta non è stata una sorpresa e non è arrivata dal nulla: ha segnato il 50 ° anniversario della serie di vittorie del Modello Standard. Include ogni forza fondamentale eccetto la gravità. Ogni tentativo di confutarlo e dimostrare in laboratorio che doveva essere completamente rielaborato - e ce ne furono molti - fallì.
In breve, il Modello Standard risponde a questa domanda: di cosa è fatto tutto e come combacia?
I mattoni più piccoli
I fisici amano le cose semplici. Vogliono frantumare tutto fino in fondo, per trovare i mattoni più elementari. Non è così facile farlo in presenza di centinaia di elementi chimici. I nostri antenati credevano che tutto fosse costituito da cinque elementi: terra, acqua, fuoco, aria ed etere. Cinque è molto più semplice di centodiciotto. E anche sbagliato. Sicuramente sai che il mondo intorno a noi è fatto di molecole e le molecole sono fatte di atomi. Il chimico Dmitry Mendeleev lo scoprì nel 1860 e presentò gli atomi nella tabella degli elementi, che oggi viene studiata a scuola. Ma ci sono 118 di questi elementi chimici: Antimonio, arsenico, alluminio, selenio … e altri 114.
Nel 1932, gli scienziati sapevano che tutti questi atomi sono costituiti da tre sole particelle: neutroni, protoni ed elettroni. Neutroni e protoni sono strettamente correlati tra loro nel nucleo. Gli elettroni, migliaia di volte più leggeri di loro, girano intorno al nucleo a una velocità prossima alla luce. I fisici Planck, Bohr, Schrödinger, Heisenberg e altri hanno introdotto una nuova scienza - la meccanica quantistica - per spiegare questo movimento.
Sarebbe bello fermarsi qui. Solo tre particelle. È anche più facile di cinque. Ma come stanno insieme? Elettroni caricati negativamente e protoni caricati positivamente sono tenuti insieme dalle forze dell'elettromagnetismo. Ma i protoni rimbalzano nel nucleo e le loro cariche positive dovrebbero spingerli via. Anche i neutroni neutri non aiuteranno.
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Cosa lega insieme questi protoni e neutroni? "Intervento divino"? Ma anche un essere divino avrebbe problemi a tenere traccia di ciascuno dei 1080 protoni e neutroni nell'universo, trattenendoli dalla forza di volontà.
Espandere lo zoo delle particelle
Nel frattempo, la natura si rifiuta disperatamente di immagazzinare solo tre particelle nel suo zoo. Anche quattro, perché dobbiamo tenere conto del fotone, la particella di luce descritta da Einstein. Quattro si sono trasformati in cinque quando Anderson ha misurato gli elettroni caricati positivamente - positroni - che hanno colpito la Terra dallo spazio. Cinque diventarono sei quando fu scoperta la peonia che reggeva il nucleo nel suo insieme e predetta da Yukawa.
Poi è apparso il muone - 200 volte più pesante dell'elettrone, ma per il resto è gemello. Sono già le sette. Non così semplice.
Negli anni '60 c'erano centinaia di particelle "fondamentali". Invece di una tavola periodica ben organizzata, c'erano solo lunghe liste di barioni (particelle pesanti come protoni e neutroni), mesoni (come i pioni Yukawa) e leptoni (particelle leggere come elettroni e neutrini sfuggenti), senza alcuna organizzazione o principi di progettazione.
E in questo abisso è nato il Modello Standard. Non c'era intuizione. Archimede non saltò fuori dal bagno gridando "Eureka!" No, invece, a metà degli anni Sessanta, alcune persone intelligenti formularono importanti presupposti che trasformarono questo pantano, prima in una semplice teoria, e poi in cinquant'anni di sperimentazione e sviluppo teorico.
Quark. Hanno sei opzioni che chiamiamo sapori. Come i fiori, solo che non profumano così tanto. Invece di rose, gigli e lavanda, abbiamo alzato e abbassato, strani e incantevoli, adorabili e veri quark. Nel 1964, Gell-Mann e Zweig ci insegnarono come mescolare tre quark per formare un barione. Un protone è composto da due quark up e uno down; neutrone: due inferiori e uno superiore. Prendi un quark e un antiquark: ottieni un mesone. Una peonia è un quark up o down associato a un antiquark up o down. Tutta la materia di cui abbiamo a che fare è costituita da quark up e down, antiquark ed elettroni.
Semplicità. Non esattamente semplicità però, perché mantenere legati i quark non è facile. Si legano così strettamente che non troverai mai un quark o un antiquark che vaga da solo. La teoria di questa connessione e le particelle che vi prendono parte, vale a dire i gluoni, sono chiamate cromodinamica quantistica. Questa è una parte importante del modello standard, matematicamente complessa e in alcuni punti persino irrisolvibile per la matematica di base. I fisici fanno del loro meglio per fare calcoli, ma a volte l'apparato matematico non è sufficientemente sviluppato.
Un altro aspetto del modello standard è il "modello leptonico". Questo è il titolo di un importante articolo del 1967 di Stephen Weinberg che combinava la meccanica quantistica con la conoscenza essenziale di come le particelle interagiscono e le organizzano in una teoria unificata. Ha acceso l'elettromagnetismo, associato a una "forza debole" che porta a determinati decadimenti radioattivi, e ha spiegato che si tratta di manifestazioni diverse della stessa forza. Il meccanismo di Higgs è stato incluso in questo modello, dando massa alle particelle fondamentali.
Da allora, il modello standard ha previsto i risultati di esperimenti dopo i risultati, inclusa la scoperta di diverse varietà di quark e bosoni W e Z - particelle pesanti che, nelle interazioni deboli, svolgono lo stesso ruolo di un fotone nell'elettromagnetismo. La possibilità che i neutrini abbiano massa è stata persa negli anni '60, ma confermata dal modello standard negli anni '90, diversi decenni dopo.
La scoperta del bosone di Higgs nel 2012, a lungo prevista dal Modello Standard e tanto attesa, non è stata tuttavia una sorpresa. Ma è stata un'altra grande vittoria per il Modello Standard sulle forze oscure che i fisici delle particelle si aspettano regolarmente all'orizzonte. Ai fisici non piace che il Modello Standard non corrisponda alle loro idee di un modello semplice, sono preoccupati per la sua inconsistenza matematica e cercano anche un modo per includere la gravità nell'equazione. Ovviamente, questo si traduce in diverse teorie della fisica, che potrebbero essere successive al Modello Standard. È così che sono emerse le teorie della grande unificazione, la supersimmetria, il tecnocolor e la teoria delle stringhe.
Sfortunatamente, le teorie al di fuori del Modello Standard non hanno trovato prove sperimentali di successo e nessun difetto importante nel Modello Standard. Cinquant'anni dopo, è il modello standard che più si avvicina all'essere una teoria del tutto. Fantastica teoria di quasi tutto.
Ilya Khel
