Il Modello Standard della fisica delle particelle è una teoria che riguarda l' elettromagnetismo , le interazioni nucleari deboli e forti e la classificazione di tutte le particelle subatomiche conosciute. E 'stato sviluppato durante la seconda metà del XX ° secolo , in un'iniziativa di collaborazione globale sui fondamenti della meccanica quantistica . L'attuale formulazione è stata finalizzata a metà degli anni '70 in seguito alla conferma sperimentale dei quark . Da allora, le scoperte del quark top (1995), del neutrino tau (2000) e del bosone di Higgs (2012) hanno conferito al Modello Standard ancora più credibilità. Tutte le particelle del Modello Standard sono state ora osservate sperimentalmente. Per il suo successo nello spiegare un'ampia varietà di risultati sperimentali, il Modello Standard è talvolta visto come una "teoria di quasi tutto".
È una rappresentazione che si applica agli oggetti quantistici e cerca di spiegare le loro interazioni. È costruito sul trittico particella , forza , mediatore , cioè distingue famiglie di particelle per le forze a cui sono sensibili, ciascuna forza essendo esercitata per mezzo di mediatori scambiati dalle particelle che in esse sono sottoposte. Questi mediatori sono conosciuti come bosoni , mentre le particelle che compongono la materia sono chiamate fermioni (quark e leptoni).
Il modello standard ha, nel 2016, diciannove parametri liberi per descrivere le masse dei tre leptoni , dei sei quark, del bosone di Higgs e otto costanti per descrivere i diversi accoppiamenti tra particelle. Il valore di ciascuno di questi parametri non è fissato da principi primi , deve essere determinato sperimentalmente.
Per i teorici, il Modello Standard è un paradigma della teoria quantistica dei campi , che implementa un ampio spettro di fenomeni fisici. Viene utilizzato per costruire nuovi modelli che includono particelle ipotetiche , dimensioni extra o supersimmetrie .
L'idea che tutta la materia è costituita da particelle elementari risale almeno al VI ° secolo aC. DC . Nel XIX ° secolo, John Dalton , attraverso il suo lavoro sulla stechiometria , concluso che ogni elemento di natura era composto da un singolo tipo di particella. La parola atomo , dopo la parola greca ἄτομος , atomos ("indivisibile"), si è da allora riferita alla più piccola particella di un elemento chimico , ma i fisici scoprirono presto che gli atomi non sono, infatti, particelle fondamentali della natura, ma un conglomerato di particelle più piccole, come gli elettroni , attorno al suo nucleo, che sono a loro volta costituiti da protoni e neutroni . Le esplorazioni del primo XX ° secolo di fisica nucleare e quantistica fisica culminarono nella scoperta della fissione nucleare nel 1939 da Lise Meitner (sulla base di esperienze di Otto Hahn ) e la fusione nucleare nel 1932 da Mark Oliphant ; le due scoperte portarono anche allo sviluppo di armi nucleari . Lo sviluppo degli acceleratori di particelle dopo la seconda guerra mondiale ha reso possibile, per tutti gli anni '50 e '60, la scoperta di un'ampia varietà di particelle durante esperimenti di diffusione profondamente anelastica . Si trattava allora di uno "zoo di particelle". Questo termine cadde in disuso dopo la formulazione del Modello Standard negli anni '70 in cui il gran numero di particelle veniva spiegato come combinazioni di un numero relativamente piccolo di altre particelle ancora più elementari.
La scoperta del bosone di Higgs ha permesso il consenso e l'aggiornamento nel 2014 della tavola delle componenti della materia che era stata istituita nel 2005 in occasione dell'anno mondiale della fisica.
Ad oggi, materia ed energia sono meglio comprese in termini di cinematica e interazione delle particelle elementari. Finora, la fisica aveva ridotto le leggi che governano il comportamento e l'interazione di tutte le forme conosciute di materia ed energia a un piccolo numero di leggi e teorie fondamentali. Uno degli obiettivi principali della fisica è trovare una base comune unificando tutte le sue teorie in una teoria del tutto , in cui tutte le altre leggi conosciute sarebbero casi speciali.
Sebbene il Modello Standard sia considerato una teoria autonoma e coerente, e abbia avuto molto successo nel fornire previsioni sperimentali ( simmetria PC o problema della gerarchia ), lascia diversi fenomeni inspiegabili e non si può affermare che sia una sola teoria . Non fornisce quindi una giustificazione teorica per la gravità , come descritto nella relatività generale , né tiene conto dell'accelerazione dell'espansione dell'Universo (che potrebbe essere spiegata dall'energia oscura ). Questo modello inoltre non contiene particelle che potrebbero costituire materia oscura , in quanto possiede tutte le proprietà richieste dalle osservazioni cosmologiche . Inoltre non descrive correttamente l' oscillazione dei neutrini e la loro massa.
Il Modello Standard include membri di diverse classi di particelle elementari ( leptoni , quark , bosoni di gauge e bosone di Higgs ), che a loro volta possono essere differenziate da altre caratteristiche, come la loro carica di colore .
Il Modello Standard include dodici particelle elementari di spin ½ ( spin semi-intero), che sono quindi fermioni . Secondo il teorema della statistica dello spin , i fermioni rispettano il principio di esclusione di Pauli . Ad ogni fermione corrisponde un'antiparticella .
I fermioni obbediscono alla statistica di Fermi-Dirac e non possono coesistere tra loro nello stesso stato quantistico (sullo stesso orbitale atomico per esempio).
I fermioni elementari si dividono in leptoni e quark , seguendo tre generazioni che differiscono tra loro solo per la massa, che è maggiore ad ogni generazione. Solo le particelle di prima generazione formano la materia ordinaria. Questo perché le particelle di seconda e terza generazione sono instabili e si disintegrano rapidamente in particelle più leggere di prima generazione.
Sebbene elementari, i quark non possono esistere isolati. Sono raggruppati in adroni che si presentano sotto forma di coppie quark-antiquark ( mesoni ), o trii di quark ( barioni ). Ad esempio, i protoni sono costituiti da due quark up e un quark down , mentre i neutroni sono costituiti da un quark up e due quark down .
Le tabelle seguenti raggruppano i diversi fermioni per generazione. Per non sovraccaricare questa tabella, le antiparticelle non sono rappresentate lì. La carica elettrica è indicata lì in cariche elementari .
Prima generazioneparticella | Valutazione | Carica elettrica | Carica forte (carica di colore) | Massa | Rotazione |
---|---|---|---|---|---|
elettrone | e | -1 | 511 keV / c 2 | 1/2 | |
Neutrino elettronico | ν e | 0 | <225 eV / c 2 | 1/2 | |
Quark Up | tu | 2/3 | rosso, verde, blu | ~ 3 MeV / c 2 | 1/2 |
Quark giù | d | -1/3 | rosso, verde, blu | ~ 6 MeV / c 2 | 1/2 |
particella | Valutazione | Carica elettrica | Carico pesante | Massa | Rotazione |
---|---|---|---|---|---|
muone | μ | -1 | 106 MeV / c 2 | 1/2 | |
neutrino muonico | ν u | 0 | <190 keV / c 2 | 1/2 | |
Fascino Quarkk | vs | 2/3 | rosso, verde, blu | ~ 1.3 GeV / c 2 | 1/2 |
Quark strano | S | -1/3 | rosso, verde, blu | ~ 100 MeV / c 2 | 1/2 |
particella | Valutazione | Carica elettrica | Carico pesante | Massa | Rotazione |
---|---|---|---|---|---|
Tau o Tauon | τ | -1 | 1.78 GeV / c 2 | 1/2 | |
Neutrino Tauico | ν τ | 0 | <18.2 MeV / c 2 | 1/2 | |
Quark Top | t | 2/3 | rosso, verde, blu | 171 GeV / c 2 | 1/2 |
Quark fondo | b | -1/3 | rosso, verde, blu | ~ 4.2 GeV / c 2 | 1/2 |
Nel modello standard, i bosoni di gauge sono vettori o supporti di forza e svolgono un ruolo di mediatore tra le forze fondamentali : debole, forte ed elettromagnetica.
I bosoni di gauge obbediscono alla statistica di Bose-Einstein ; hanno spin completo e possono coesistere tra loro nello stesso stato quantistico (miliardi di fotoni identici che convivono in un raggio laser).
Il bosone di Higgs non è un mediatore di forza, e quindi non appartiene alla classe dei bosoni di gauge.
Queste particelle di campo possono essere reali o virtuali . In quest'ultimo caso hanno una durata di esistenza estremamente breve e sono osservati indirettamente dalla loro azione, che consiste essenzialmente nel trasmettere le forze fondamentali. Questo è anche il motivo per cui queste particelle virtuali sono anche chiamate "particelle messaggere" o "mediatori".
FotoneI fotoni γ (di spin 1 e di massa e carica zero) sono i mediatori della forza elettromagnetica tra particelle elettricamente cariche.
bosoni deboliI bosoni di gauge W + , W - e Z 0 (spin 1 e massa elevata) mediano l' interazione debole tra particelle di sapore diverso (quark e leptoni).
gluoniGli otto gluoni (di spin 1 e massa zero) sono i mediatori dell'interazione forte tra particelle con carica di colore (quark).
Si suppone che il bosone di Higgs (di spin 0, che è un campo scalare ), conferisca la propria massa alle altre particelle mediante un meccanismo spontaneo di rottura della simmetria chiamato in questo contesto meccanismo di Higgs . Lo ha annunciato il CERN4 luglio 2012con una confidenza di 5 sigma (99,99997%) di aver scoperto grazie all'LHC una particella con massa di 125,3 GeV⋅c -2 ± 0,6. Questa particella potrebbe essere il bosone di Higgs, ma sono necessari ulteriori studi per poterlo dire con certezza.
tipi | generazioni | antiparticella | Colori | Totale | |
---|---|---|---|---|---|
quark | 2 | 3 | Paio | 3 | 36 |
leptoni | Paio | Qualunque | 12 | ||
gluoni | 1 | 1 | se stessa | 8 | 8 |
Fotone | se stessa | Qualunque | 1 | ||
bosone Z | se stessa | 1 | |||
bosone W | Paio | 2 | |||
Bosone di Higgs | se stessa | 1 | |||
Particelle elementari totali (note): | 61 |
Se contiamo le particelle distinguendo i loro diversi colori e le loro antiparticelle, contiamo in tutto 61 particelle elementari.
Da un punto di vista matematico, le teorie quantistiche dei campi sono state formalizzate nell'ambito delle teorie di gauge utilizzando gruppi di simmetria locale sotto forma di gruppi di Lie complessi alla base di ciascuna delle simmetrie di gauge modellate. In tal modo :
I diciannove parametri liberi del Modello Standard sono le masse dei nove fermioni, quattro parametri della matrice CKM, le costanti di accoppiamento per le tre forze, l' angolo theta della cromodinamica quantistica e due parametri di Higgs.
Parametri del Modello Standard della Fisica delle Particelle | ||
---|---|---|
Simbolo | Descrizione | Valore |
io e | massa dell'elettrone | 511 keV |
m μ | massa del muone | 105,7 MeV |
m τ | massa di tau | 1,78 GeV |
m u | Massa del quark up | 1,9 MeV |
m d | Massa di quark down | 4.4 MeV |
m s | Massa del quark strano | 87 MeV |
m c | Massa di quark di fascino | 1.32 GeV |
m b | Massa di quark bottom | 4.24 GeV |
m t | Massa di quark superiore | 172.7 GeV Ge |
θ 12 | Angolo di miscelazione θ 12 della matrice CKM | 13,1 ° |
θ 23 | Angolo di miscelazione θ 23 della matrice CKM | 2,4 ° |
θ 13 | Angolo di miscelazione θ 13 della matrice CKM | 0,2 ° |
δ | Parametro di violazione della simmetria CP nella matrice CKM | 0,995 |
g 1 o g ' | Costante di accoppiamento per il gruppo di misura U (1) (elettromagnetismo) | 0,357 |
g 2 o g | Costante di accoppiamento per il gruppo di gauge SU (2) ( interazione debole ) | 0,652 |
g 3 o g s | Costante di accoppiamento per il gruppo di gauge SU (3) ( interazione forte ) | 1.221 |
θ QCD | Angolo theta della cromodinamica quantistica | ~ 0 |
v | "Valore atteso nel vuoto" del campo di Higgs | 246 GeV |
m H | Massa del bosone di Higgs | ~ 125 GeV |
Il Modello Standard non è una teoria completa delle interazioni fondamentali e molte delle sue caratteristiche suggeriscono che deve esserci una "fisica oltre il Modello Standard". Tuttavia, almeno fino amarzo 2021, nessuna misura o esperienza ha vanificato le sue previsioni.
Il modello standard non include la gravità . Tra le tante teorie che tentano di unificare la meccanica quantistica e la teoria della relatività , molte considerano l'esistenza del gravitone , un ipotetico bosone.
Secondo Alain Connes , “nessuno pensa che il modello standard sia la fine della storia, soprattutto per il grandissimo numero di parametri liberi che contiene. " .
Il Modello Standard non prevede il motivo per cui ci sono tre generazioni di fermioni che portano le stesse cariche, ma in intervalli di massa molto diversi. La massa del quark u è dell'ordine di MeV.c −2 mentre quella di t è dell'ordine di 170 GeV .c −2 . D'altra parte, nulla dice che non ci siano altre famiglie. A partire dal 2008, nessuna teoria oltre il Modello Standard spiega con precisione l'esistenza di queste tre famiglie. L' unitarietà della matrice CKM è un test sensibile per l'esistenza di un'altra generazione di fermioni.
Il modello standard lagrangiano di gauge ha tre simmetrie interne nelle particelle , e . Come per le famiglie di fermioni, nulla impedisce l'esistenza di sottogruppi di simmetrie. Si tratta, peraltro, di un argomento caro alle teorie della grande unificazione , che in linea di principio consentono di spiegare queste simmetrie includendole come sottogruppi di un gruppo più grande dei primi tre. Il gruppo matematico poteva essere adatto ed era su di loro che si basava la teoria della Grande Unificazione ( GUT ). Ma questa simmetria di gauge ha complicato il Modello Standard costringendo a postulare 24 bosoni e, soprattutto, ha previsto il decadimento del protone, che non è mai stato osservato sperimentalmente.
Il modello standard incorpora il fatto che ogni particella corrisponde a un'antiparticella. Le loro caratteristiche fisiche sono quasi identiche. Una particella e la sua antiparticella hanno la stessa massa, ma cariche opposte (barione e leptone).
Il modello non descrive la materia oscura che costituirebbe gran parte dell'universo.
La più leggera delle ipotetiche particelle supersimmetriche sarebbe una delle candidate per la materia oscura.
Resta da formulare una teoria complementare al Modello Standard che spiegherebbe perché nessuna di queste particelle è stata finora rilevata (da LHC o da un altro rivelatore).
Gli esperimenti sul volume della carica elettrica del protone danno due cifre diverse e gli scienziati non possono determinare se l'errore è nelle condizioni dell'esperimento o se la teoria stessa è incompleta.
Il Modello Standard assume che le interazioni dei leptoni carichi, cioè elettroni, muoni e tauoni, varino solo a causa delle loro differenze di massa. Esperimenti con elettroni e muoni hanno confermato questa ipotesi, ma recenti studi sul decadimento del mesone B che coinvolge il leptone tau ad alte energie mostrano deviazioni dalla teoria. Se questi risultati saranno confermati, potrebbe aprire la strada a nuove interazioni tra le particelle.
Il modello standard prevede per il muone un momento magnetico il cui fattore di Landé g è prossimo a 2 ma leggermente superiore, a causa della creazione e annichilazione di coppie di particelle virtuali nelle sue vicinanze, e le caratteristiche delle particelle note consentono di calcolare la differenza g -2 (il “ momento anomalo ”). Nel 2001, la misurazione di g presso il laboratorio nazionale di Brookhaven ( Stato di New York , Stati Uniti ) ha dato un risultato di poco superiore al valore calcolato, ma con un margine di errore non sufficientemente piccolo per garantire la contraddizione. Nell'aprile 2021, dopo due anni di acquisizione dati con apparecchiature diverse, il Fermilab di Batavia (Illinois) ha annunciato un risultato molto simile. La combinazione delle due misurazioni dà una differenza tra il valore misurato e il valore teorico 4,2 volte maggiore della deviazione standard , e quindi significativamente diversa da zero. Una possibile spiegazione è l'esistenza di particelle non previste dal Modello Standard, e quindi di nuove particelle virtuali.
Un mesone "bello" (comprendente un quark b ) viene trasformato in un mesone "strano" (comprendente un quark s ) con l'emissione di un elettrone e un positrone , oppure di un muone e un antimuone . Il Modello Standard prevede che i differenti leptoni carichi, l'elettrone, il muone e il tau , esercitino e sentano le stesse forze di interazione elettrodebole . Nelmarzo 2021, Le collisioni protone-protone analizzate dal rivelatore LHCb del Large Hadron Collider del CERN mostrano un'asimmetria tra elettroni e muoni, quest'ultimi essendo emessi meno (la differenza è di 3.1 deviazioni standard ). Se questi risultati fossero confermati, sarebbe un altro disconoscimento del Modello Standard, e forse un indizio di una nuova fondamentale interazione tra quark e leptoni.