Modello standard: quante particelle esistono?

La fisica delle particelle studia le interazioni, dette fondamentali, che interessano materia e radiazioni, a partire dai loro costituenti più piccoli: le particelle elementari. Interazioni e particelle sono interconnesse secondo una teoria che sta alla base della stessa fisica delle particelle: è il Modello standard (MS). In questo breve articolo, dopo una doverosa introduzione alle forze fondamentali della natura, verranno classificate tutte le particelle elementari ad oggi conosciute.

Le forze fondamentali: come interagiscono le particelle?

Le interazioni fondamentali che troviamo in natura e che permettono di studiarne i fenomeni sono quattro:

• l’interazione gravitazionale, o forza di gravità, che tutti noi esperiamo quotidianamente. È l’interazione più debole delle quattro;
• l’interazione elettromagnetica, responsabile dell’interazione tra oggetti in possesso di carica elettrica non nulla;
• l’interazione nucleare debole, responsabile delle forze che intervengono nei decadimenti nucleari;
• l’interazione nucleare forte, caratteristica dei costituenti del nucleo atomico.

Con l’aggettivo “fondamentali” si intende dire che ogni volta che due particelle interagiscono tra loro, queste lo faranno mediante (almeno) una di queste forze. L’interazione fondamentale con cui tutti noi abbiamo maggiore familiarità è sicuramente quella gravitazionale. Tuttavia, all’interno del Modello standard, questo tipo di forza non è considerata, poiché non descrivibile in maniera soddisfacente attraverso una teoria quantistica.

I bosoni, particelle mediatrici delle interazioni fondamentali

Secondo la Teoria quantistica dei campi, nata dall’unificazione della Meccanica quantistica, della Teoria dei campi classica e della Relatività ristretta, le interazioni fondamentali avrebbero luogo a partire dallo scambio di particolari particelle, dette bosoni di Gauge. I bosoni sono quindi le particelle mediatrici delle forze fondamentali, le “cause” delle interazioni tra gli altri tipi di particelle.

Facciamo un esempio. Immaginiamo due elettroni e la loro interazione elettromagnetica. Secondo l’elettromagnetismo classico, ciascuna delle due cariche genererebbe un campo in grado di interagire con quello dell’altra, attraverso una forza a distanza, in modo che le due particelle si respingano (avendo carica dello stesso segno). Secondo il Modello standard, quello che accade è lo “scambio” di un fotone tra i due elettroni. Il fotone (γ), infatti, è il bosone responsabile dell’interazione elettromagnetica.

Il bosone mediatore dell’interazione nucleare forte si chiama Gluone (g), mentre l’interazione nucleare debole vede ben due bosoni: W e Z.

Le particelle che “subiscono” le interazioni: i fermioni

Le particelle che “sentono” le forze fondamentali, mediate dai suddetti bosoni, sono chiamate fermioni. I Fermioni sono divisi a loro volta in due gruppi, in base alla loro partecipazione all’interazione forte:

• I quark subiscono tutti i tipi di interazione, compresa quella nucleare forte. Sono sei e vengono chiamati up, down, charm, strange, top e bottom, a seconda delle loro caratteristiche intrinseche (massa, carica, numero di spin). In natura, non è possibile trovare un quark isolato, ma solo in piccoli gruppi, all’interno di particelle subatomiche dette adroni. A seconda del numero pari o dispari di quark contenuto nell’adrone, questo sarà un barione (numero dispari di quark; protoni e neutroni sono barioni) o un mesone (numero pari; esempio: il pione Pi).
• I leptoni sono le particelle che non partecipano all’interazione nucleare forte. I leptoni che partecipano solo all’interazione nucleare debole sono i neutrini (elettronico, muonico e tauonico), mentre quelli che sono interessati anche dall’interazione elettromagnetica sono l’elettrone, il muone e il tauone.

I fermioni sono inoltre distinti secondo le loro proprietà di interazioni in tre generazioni o famiglie. All’interno della prima generazione (la prima colonna dell’immagine sopra), troviamo i quark up e down, il neutrino elettronico e l’elettrone: sono le particelle più stabili, che costituiscono la materia ordinaria. Nella seconda e della terza generazione (seconda e terza colonna), le particelle hanno una massa maggiore *. A causa di ciò, i leptoni e i quark della seconda e terza famiglia (o le particelle da essi costituite) sono instabili e presentano una vita media breve, decadendo a particelle più leggere, costituite da elementi della prima famiglia.

* o almeno, per quanto ne sappiamo; le attuali tecniche non permettono una misura diretta della massa dei neutrini.

E il bosone di Higgs?

Pur facendo parte del Modello standard, il bosone di Higgs non viene classificato in nessuna delle categorie finora descritte.

Secondo la teoria elettrodebole, il campo di Higgs, la cui eccitazione è proprio il bosone di Higgs, permea tutto lo spazio come una sorta di liquido viscoso. Gli oggetti acquisiscono massa solo quando interagiscono con il campo di Higgs, e cioè quando sono “rallentate” dai bosoni. A seconda delle proprietà intrinseche delle particelle, queste assumeranno una massa diversa.

Crediti: INFN

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