IL MODELLO STANDARD
Le idee chiave
Esistono delle particelle che sono i costituenti
fondamentali delle materia
I fisici hanno elaborato una teoria, chiamata
Modello Standard, che vuole descrivere sia la
materia che le forze dell'Universo. La bellezza di
tale teoria è nella capacità di descrivere tutta la
materia sulla base di poche particelle ed interazioni
fondamentali
Il Modello Standard sostiene che le particelle
fondamentali si dividono in 2 gruppi principali:
quark e leptoni e ogni gruppo è costituito di 6
elementi (detti anche sapori)
Le interazioni tra le particelle fondamentali di
materia avvengono tramite lo scambio di particelle
mediatrici di forza
Interazioni tra le particelle
 In natura esistono quattro interazioni fondamentali, che
sono alla base degli scambi di energia tra le particelle e
che sono responsabili della struttura dell'Universo.
Queste sono l'interazione elettromagnetica, l'interazione
forte, l'interazione debole e l'interazione gravitazionale
 Queste particelle, trasportatrici dell'energia
dell'interazione, vengono emesse e riassorbite dalle
particelle interagenti
 Per descrivere un'interazione è importante definire
due quantità: il raggio d'azione e l'intensità
 Il raggio d'azione di un'interazione è la distanza
massima alla quale essa è influente. Ad esempio
l'interazione gravitazionale ha un raggio d'azione
infinito; per questo motivo il sole esercita la sua
forza anche su pianeti lontanissimi come Plutone.
 L'intensità fornisce una misura dei rapporti di forza
tra le interazioni di diversa natura.
L'interazione elettromagnetica
tra cariche di segno uguale
 L'interazione elettromagnetica è responsabile della struttura atomica e
molecolare della materia e si manifesta nella nostra vita quoditiana in
molti modi, dall'energia elettrica che utilizziamo nelle nostre case per
accendere la luce e i vari elettrodomestici, ai segnali che portano nelle
nostre case i programmi televisivi e radiofonici e ci permettono di
comunicare con i nostri amici tramite il telefono cellulare.
.
 Al livello microscopico l'interazione elettromagnetica si manifesta tra
tutte le particelle dotate di carica elettrica diversa da zero ed ha come
mediatore dell'interazione il fotone.
Due particelle con la stessa carica elettrica (ad es. due elettroni) si
respingono reciprocamente Ma come avviene la repulsione? L'interazione
fra due elettroni implica un fascio di fotoni (portatori della forza
elettromagnetica) che passano da un elettrone all'altro e
viceversa. Pensiamo a questi fotoni come a una grandinata di pallottole di
mitragliatrice ... allora ogni elettrone che emette un fascio di fotoni rincula,
mentre al tempo stesso ogni elettrone che e' colpito da un fascio di fotoni è
spinto via.
Non sorprende che le due
particelle si respingono
L'interazione elettromagnetica
tra cariche di segno opposto
 Più difficile è capire perché particelle di carica opposta (per esempio un elettrone e un protone) si attraggono, ma
è proprio questo ciò che accade.
 Un'analogia che potrebbe esserci d'aiuto consiste nel pensare a un gruppo di atleti impegnati in un allenamento,
che corrono lanciandosi reciprocamente una palla medicinale. Essi tendono ad avvicinarsi tra di loro perché altrimenti
non sarebbero in grado di lanciarsi una palla cosi pesante!
 Al contrario nel mondo microscopico delle particelle, questa
attrazione funziona attraverso lo scambio di particelle molto leggere,
come sono i fotoni che hanno massa nulla! Un flusso di fotoni
emessi da un elettrone entrando in collisione con un protone, non lo
spinge via ma lo attrae verso l'elettrone, e viceversa.
 Poiché hanno massa nulla, i fotoni una volta prodotti possono
propagarsi su distanze enormi, anche percorrere l'intero universo! In
altre parole il raggio d’azione dell'interazione elettromagnetica è
infinito.
Inoltre l‘intensità dell'interazione elettromagnetica diminuisce tanto
più le particelle interagenti si allontanano tra di loro.
L'interazione forte
L'interazione elettromagnetica è responsabile della coesione tra gli elettroni e il nucleo negli atomi. Quando si
scende alla scala del nucleo atomico, i protoni e i neutroni sono tenuti insieme da un'altra forza, l'interazione forte
che impedisce al nucleo di disintegrarsi in conseguenza della repulsione elettromagnetica tra i protoni del nucleo.
L'interazione forte non è però connessa direttamente a neutroni e protoni , bensì a uno strato di struttura più
profondo al loro interno, al livello dei quark.
 Ogni protone e neutrone è composto invariabilmente di tre quark. Il carattere più
interessante dei quark è che essi non vengono mai osservati isolatamente ma solo in
triplette
 I quark sono tenuti uniti dallo scambio delle particelle mediatrici della forza
forte. Quando si trattò di dare un nome a queste particelle, i fisici si permisero una
piccola battuta: queste particelle sono state chiamate gluoni perché incollano (in
inglese glue vuol dire colla) i quark l'uno all'altro.
 Quindi l'intensità dell'interazione forte aumenta all'aumentare della distanza
delle particelle interagenti ma il raggio d'azione dell'interazione forte è estremamente
piccolo, sufficiente per garantire l'integrità dei nuclei atomici, circa 1 fm.
 Così come l'interazione elettromagnetica avviene solo tra particelle dotate di carica
elettrica, l'interazione forte avviene solo tra particelle composte di quark. Ciò è dovuto
al fatto che i quarks trasportano un nuovo tipo di carica, la carica di colore
L’interazione
debole
La forza debole è quella che si discosta di più dalla nozione di
forza della nostra esperienza quotidiana. L'interazione debole non
contribuisce tanto alla coesione della materia quanto alla sua
trasformazione. Come esempio consideriamo una particolare
manifestazione delle interazioni deboli, il decadimento beta:la
trasformazione di un neutrone in un protone più un elettrone e un
antineutrino elettrone
L’interazione
gravitazionale
 La gravità è la più debole delle quattro forze, ma è quella a noi più familiare nella vita quotidiana e fu la prima
a essere studiata scientificamente.
 In qualsiasi pezzo di materia la gravità di tutte le singole particelle che lo compongono, si somma.
 Non esiste per la gravità una cancellazione come quella fra le cariche elettriche positive e negative in un atomo.
 Quindi anche se molto minore di intensità delle altre forze, a livello macroscopico la gravità, proprio per la sua
additività, produce effetti molto grandi.
 Il raggio d'azione della gravità è infinito come quello dell'elettromagnetismo, e come accade per l'interazione
elettromagnetica, l'intensità dell'interazione gravitazionale diminuisce all'aumentare della distanza tra i corpi
interagenti.
 La gravità è chiaramente un'interazione fondamentale della natura, ma la teoria del Modello Standard non è
ancora in grado di spiegarla e di inserirla in modo soddisfacente in un quadro completo delle quattro interazioni
fondamentali. Questo è uno dei principali problemi aperti della fisica moderna. Inoltre il mediatore della gravità,
per il quale si fa l'ipotesi che si tratti di una particella di massa nulla (il gravitone), non è stato ancora
sperimentalmente osservato.
L’intensità delle forze fondamentali
 L'intensità relativa delle quattro forze fondamentali della natura può essere espressa in rapporto all'intensità
della forza forte.
 Se poniamo l'intensità della forza forte uguale a 1, l'intensità, molto arrotondata, della forza elettromagnetica, è
di circa 10-2 (un centesimo della forza forte), l'intensità della forza debole è di 10 -13 (dobbiamo immaginare di
ridurre la forza forte di un milione di volte poi ancora di un milione di volte e poi ancora di dieci volte).
 L’intensità della gravità è 1038 volte minore della interazione elettromagnetica. Questo vuole dire che
l'interazione forte è cento miliardi di miliardi di miliardi di miliardi di volte più intensa della gravità. Ricordiamo
che la forza debole e la forza forte hanno entrambe un raggio d'azione molto limitato, operando a una scala assai
minore delle dimensioni di un atomo.
 La forza elettromagnetica e quella gravitazionale hanno un raggio d'azione infinito.
 Infine ricordiamo le particelle mediatrici delle quattro interazioni fondamentali e le particelle sulle quali
agiscono ...
Le particelle elementari
 Il gravitone
(interazione
gravitazionale) agisce
su tutte le particelle
 Il gluone
(interazione forte)
agisce su i tutti i quark
 Il fotone
(interazione
elettromagnetica)
agisce su tutte le
particelle dotate di
carica elettrica, quindi
su tutti i quark e su
elettrone, muone e tau
 . I bosoni intermedi
Z0, W+ e W(interazione debole),
agiscono su tutte le
particelle.
Esistono altre particelle elementari?
Le particelle elementari sono a loro volta formate da
altre particelle o da un’unica particella base?