Una nuova mappa di tutte le particelle e le forze
A ll della natura scaturisce da una manciata di componenti – le particelle fondamentali – che interagiscono tra loro in pochi modi diversi. Negli anni '70, i fisici hanno sviluppato una serie di equazioni che descrivono queste particelle e interazioni. Insieme, le equazioni formavano una teoria succinta ora nota come Modello standard della fisica delle particelle.
Al Modello Standard mancano alcuni pezzi del puzzle (sono vistosamente assenti le presunte particelle che compongono la materia oscura , quelle che trasmettono la forza di gravità e una spiegazione per la massa dei neutrini ), ma fornisce un'immagine estremamente accurata di quasi tutti altri fenomeni osservati.
Tuttavia, per un quadro che racchiude la nostra migliore comprensione dell'ordine fondamentale della natura, il Modello Standard manca ancora di una visualizzazione coerente. La maggior parte dei tentativi sono troppo semplici o ignorano importanti interconnessioni o sono confusi e travolgenti .
Considera la visualizzazione più comune, che mostra una tavola periodica delle particelle:
Questo approccio non offre informazioni sulle relazioni tra le particelle. Le particelle portatrici di forza (vale a dire il fotone, che trasmette la forza elettromagnetica; i bosoni W e Z, che trasmettono la forza debole; e i gluoni, che trasmettono la forza forte) sono posti sullo stesso piano delle particelle di materia quelle forze agiscono tra – quark, elettroni e loro parenti. Inoltre, le proprietà chiave come "colore" vengono tralasciate.
Un'altra rappresentazione è stata sviluppata per il film Particle Fever del 2013:
Sebbene questa visualizzazione enfatizzi correttamente la centralità del bosone di Higgs – il fulcro del Modello Standard, per ragioni spiegate di seguito – l'Higgs è posto accanto al fotone e al gluone, anche se in realtà Higgs non influenza quelle particelle. E i quadranti del cerchio sono fuorvianti, implicando, ad esempio, che il fotone si accoppia solo alle particelle che tocca, il che non è il caso.
Un nuovo approccio
Chris Quigg , un fisico delle particelle presso il Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois, ha pensato a come visualizzare il modello standard per decenni, sperando che una rappresentazione visiva più potente avrebbe aiutato a familiarizzare le persone con le particelle conosciute della natura e li avrebbe spinti a pensare su come queste particelle potrebbero inserirsi in un quadro teorico più ampio e completo. La rappresentazione visiva di Quigg mostra più ordine e struttura sottostanti del modello standard. Egli chiama il suo schema la rappresentazione "doppio simplex", perché le particelle della natura destrorsa e sinistrorsa formano ciascuna un simplex – una generalizzazione di un triangolo. Abbiamo adottato lo schema di Quigg e apportato ulteriori modifiche.
Costruiamo il doppio simplex da zero.
Quark in fondo
Le particelle di materia sono disponibili in due varietà principali, leptoni e quark. (Si noti che, per ogni tipo di particella di materia in natura, esiste anche una particella di antimateria, che ha la stessa massa ma è opposta in ogni altro modo. Come hanno fatto altre visualizzazioni del Modello Standard, elidiamo l'antimateria, che formerebbe una , doppio simplex invertito.)
Partiamo dai quark, e in particolare dai due tipi di quark che compongono i protoni e i neutroni all'interno dei nuclei atomici. Questi sono il quark up, che possiede due terzi di un'unità di carica elettrica, e il quark down, con una carica elettrica di −1/3.
I quark su e giù possono essere "mancini" o "destrorsi" a seconda che ruotino in senso orario o antiorario rispetto alla loro direzione di movimento.
Cambiamento debole
I quark su e giù per mancini possono trasformarsi l'uno nell'altro, tramite un'interazione chiamata forza debole. Ciò accade quando i quark scambiano una particella chiamata bosone W – uno dei portatori della forza debole, con una carica elettrica di +1 o −1. Queste interazioni deboli sono rappresentate dalla linea arancione:
Stranamente, non ci sono bosoni W destrorsi in natura. Ciò significa che i quark up e down destrorsi non possono emettere o assorbire bosoni W, quindi non si trasformano l'uno nell'altro.
Colori forti
I quark possiedono anche una sorta di carica chiamata colore. Un quark può avere una carica di colore rosso, verde o blu. Il colore di un quark lo rende sensibile alla forza forte.
La forza forte lega insieme quark di diversi colori in particelle composite come protoni e neutroni, che sono "incolori", senza carica cromatica netta.
I quark si trasformano da un colore all'altro assorbendo o emettendo particelle chiamate gluoni, i portatori della forza forte. Queste interazioni formano i lati di un triangolo. Poiché i gluoni possiedono essi stessi una carica di colore, interagiscono costantemente tra loro così come con i quark. Le interazioni tra i gluoni riempiono il triangolo.
Più materia
Passiamo ora ai leptoni, l'altro tipo di particelle di materia. I leptoni sono di due tipi: elettroni, che hanno una carica elettrica di -1, e neutrini, che sono elettricamente neutri.
Come con i quark up e down sinistri, gli elettroni ei neutrini mancini possono trasformarsi l'uno nell'altro tramite l'interazione debole. Tuttavia, i neutrini destrorsi non sono stati visti in natura.
Si noti che i leptoni non possiedono carica di colore e non interagiscono tramite la forza forte; questa è la caratteristica principale che li distingue dai quark.
Lo scheletro simplex
Mettendo insieme quello che abbiamo fatto finora, abbiamo le particelle della mano sinistra sulla sinistra, mentre le particelle della mano destra sono mostrate sulla destra. Formano lo scheletro di base del doppio simplex di Quigg.
Tre generazioni
Ora, una complicazione: per ragioni sconosciute , esistono tre versioni progressivamente più pesanti ma per il resto identiche di ciascun tipo di particella di materia. Ad esempio, insieme al quark su e giù, c'è il quark fascino e strano e, ancora più pesante, il quark superiore e inferiore. Lo stesso vale per i leptoni: insieme al neutrino elettronico ed elettronico, ci sono il neutrino muone e muonico e il neutrino tau e tau. (Notare che i neutrini hanno masse piccole ma sconosciute.)
Tutte queste particelle vivono agli angoli del doppio simplex. Si noti che una piccola quantità di interazione debole si verifica tra quark mancini in generazioni diverse, così che un quark up potrebbe occasionalmente sputare fuori un bosone W + e diventare uno strano quark, per esempio. Anche i leptoni di generazioni diverse interagiscono occasionalmente in questo modo.
Forze e carica
In quali altri modi le particelle interagiscono tra loro? Abbiamo già detto che molte particelle di materia hanno carica elettrica – tutte, infatti, tranne i neutrini. Ciò che significa avere una carica elettrica è che queste particelle sono sensibili alla forza elettromagnetica. Interagiscono tra loro scambiandosi fotoni, i portatori della forza elettromagnetica. Rappresentiamo le interazioni elettromagnetiche come linee ondulate che collegano particelle cariche tra loro. Notare che queste interazioni non trasformano le particelle l'una nell'altra; in questo caso, le particelle sentono solo una spinta o una trazione.
La forza debole è un po 'più complicata di quanto abbiamo lasciato in precedenza. Oltre ai bosoni W + e W – – i portatori elettricamente caricati della forza debole – esiste anche un portatore neutro della forza debole, chiamato bosone Z 0 . Le particelle possono assorbire o emettere bosoni Z 0 senza cambiare identità. Come con le interazioni elettromagnetiche, queste "interazioni neutre deboli" causano semplicemente perdita o guadagno di energia e quantità di moto. Le interazioni neutre deboli sono rappresentate qui da linee ondulate arancioni.
Non è un caso che le interazioni neutre deboli assomiglino molto alle interazioni elettromagnetiche. Le forze deboli ed elettromagnetiche discendono entrambe da una singola forza che esisteva nei primi momenti dell'universo, chiamata interazione elettrodebole.
Mentre l'universo si raffreddava, un evento noto come rottura della simmetria elettrodebole ha diviso le forze in due. Questo evento è stato contrassegnato dall'improvvisa comparsa di un campo che si estende per tutto lo spazio, noto come campo di Higgs, che è associato a una particella chiamata bosone di Higgs – il pezzo finale del nostro puzzle.
Entrano gli Higgs
Il bosone di Higgs è il fulcro del modello standard e la chiave del perché la disposizione del doppio simplex ha senso. Quando il campo di Higgs è sorto nell'universo primordiale, ha unito le particelle di mano sinistra e destra tra loro, impregnando le particelle allo stesso tempo con la proprietà che chiamiamo massa. (Si noti che il neutrino ha massa, ma la sua origine rimane misteriosa, poiché deriva da un meccanismo diverso da Higgs.)
Ecco una versione a fumetti di come funziona questa generazione di massa. Quando una particella come un elettrone si muove attraverso lo spazio, interagisce costantemente con i bosoni di Higgs – eccitazioni del campo di Higgs. Quando un elettrone mancino urta contro un bosone di Higgs, l'elettrone potrebbe rimbalzare su di esso in una nuova direzione e diventare destrorso, quindi urtare un altro Higgs e diventare di nuovo mancino, e così via. Queste interazioni rallentano l'elettrone, e questo è ciò che intendiamo per "massa".
In generale, più una particella interagisce con il bosone di Higgs, più massa ha. Inoltre, le frequenti interazioni con i bosoni di Higgs rendono quelle particelle massicce miscele quantistiche di destrimani e mancini.
E con questo, abbiamo il modello standard delle particelle fisica:
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/a-new-map-of-the-standard-model-of-particle-physics-20201022/ in data Thu, 22 Oct 2020 15:33:29 +0000.