Tutti coloro che sono appassionati di Fisica prima o poi si imbattono in concetti come Particelle Elementari, Bosone di Higgs o Modello Standard. Ma cosa significano questi nomi? Cosa vuol dire che una particella è elementare?  Tutto questo richiede una certa preparazione e soprattutto occorre lasciarsi alle spalle alcuni preconcetti: le particelle non sono piccole “palline” che si muovono velocemente da tutte le parti, come magari siamo portati a pensare. La questione è molto più delicata ma con un piccolo sforzo si può arrivare a comprendere in parte cosa esse siano veramente.

Per una migliore comprensione degli argomenti trattati si consiglia fortemente di leggere preliminarmente questo articolo: Dalla Meccanica Classica alla Teoria Quantistica dei Campi, passando per la Meccanica Quantistica. 

 

Vedere le Particelle

Nel corso degli anni, sia per motivi tecnici che concettuali. s’è capito che tentare di descrivere matematicamente una singola particella alla volta non era la cosa migliore da fare. Dopo decenni di duro lavoro alcuni fisici realizzarono che, in un certo senso, quando le energie in gioco sono alte le particelle non sono mai sole, non possono essere sole.
Proviamo a capire perché con una sorta di esperimento mentale, ma prima una piccola premessa.

Cosa significa “vedere” qualcosa?

Quando tentiamo di osservare un oggetto (ad esempio una penna sul tavolo) dobbiamo illuminarlo con una luce opportuna che poi rimbalzerà ai nostri occhi e ci farà vedere l’oggetto in questione. Se la luce ha una lunghezza d’onda (la distanza tra due creste di un’onda) troppo grande essa supererà la nostra penna senza essere deviata in modo significativo e quindi non c’è speranza che possa rimbalzare ai nostri occhi e noi non vediamo nulla. La luce deve avere una lunghezza d’onda che è paragonabile alle dimensioni dell’oggetto che stiamo cercando di osservare. Il concetto di lunghezza d’onda è collegato a quello di energia: più precisamente esse sono inversamente proporzionale (se la lunghezza d’onda è grande allora la luce ha poca energia e viceversa). Quando parleremo di alte energie possiamo pensare a “lunghezze d’onda brevi”.

Si noti come la luce visibile sia solo una piccola fetta dell’intero spettro elettromagnetico.
La frequenza, invece, è l’inverso della lunghezza d’onda e quindi è direttamente proporzionale all’energia.

Per vedere oggetti piccoli occorre una lunghezza d’onda breve e quindi alte energie. Per sperare di “vedere” le particelle occorre andare ad energie molto molto alte e per tale motivo si costruiscono acceleratori di particelle come quelli presenti al CERN di Ginevra.

Siamo pronti per immaginare il nostro esperimento mentale: cerchiamo di illuminare una particella! Abbiamo capito che per avere successo dobbiamo essere in gradi di mandarle addosso una luce sufficientemente energetica! Supponiamo di essere così bravi da essere in grado di costruire uno strumento che faccia al caso nostro e che non abbia alcun difetto. Ci mettiamo subito all’opera e speranzosi accendiamo il macchinario e cosa vediamo? Non una, ma un mare di particelle. Eppure la particella era una. Come è possibile? La risposta è che ci stiamo dimenticati di un pezzo di fisica molto importante:

Questo significa che dando energia “creiamo” altre particelle! L’energia che ci serviva ad illuminare la nostra particella ci ha rovinato tutto creando una marea di altre particelle che non ci aspettavamo e che non volevamo!

Il Campo Quantistico

Ma da dove le creiamo? Ci dovrà pur essere una “sorgente” di queste particelle, no? Ebbene, esse vengono create dal vuoto. Il vuoto non significa “nulla”. Per vuoto si intende quella configurazione con la minima energia, che non contiene particelle. Il fatto è che dando sufficiente energia il vuoto viene “scosso”, “eccitato”, e da lì nascono le particelle. Più precisamente le particelle nascono dal cosiddetto Campo Quantistico. Lo stato “a riposo” del campo può essere pensato in un certo senso al vuoto in questione. Ogni particelle nasce dal suo campo: il fotone nasce dal campo del fotone, i quark nascono dal campo dei quark, e così via. Il Campo quantistico permea tutto l’universo ed è una sorta di “sorgente” di particelle, se stimolato sufficientemente. In conclusione, le particelle non sono nient’altro che eccitazioni del campo, ad esse associato.

TECNICO: Un fisico Teorico che legge può storcere il naso. Le particelle non sono “qualsiasi” eccitazione del campo. Per l’esattezza le particelle sono rappresentazioni unitarie, infinito dimensionali ed irriducibili del Gruppo di Poincaré. 

 

Il Modello Standard

Ma quante tipologie di campi quantistici esistono? La risposta è questa:

Questa immagine contiene tutte le particelle elementari (cioè non formate da altre particelle) che sappiamo esistere per certo in Natura. Chiaramente, tali particelle hanno i loro campi associati. L’insieme di tali particelle forma il famoso Modello Standard delle Particelle Elementari. Questa modello descrive perfettamente miliardi di fenomeni che avvengono in Natura ed è un vero trionfo della mente umana e della matematica (sì, c’è tanta matematica sotto tutto ciò).

Ma a cosa servono tutte quelle particelle?

Ognuna ha il suo ruolo. I sei quark ed i sei leptoni formano la materia ordinaria: ad esempio se tocchi il tavolo stai toccando leptoni e quark. In particolare il protone è una particella composta (quindi non elementare) formata da 3 quark, due di tipo “up” e uno di tipo “down”. Anche il neutrone è una particella composta, ma è formato da un quark “up” e due “down”.
Sappiamo che l’elettrone (cercatelo nella tabella!) ha una certa massa. Da dove la prende? Dal Bosone di Higgs! Esso in realtà è responsabile della massa di tutte delle particelle che compongono la materia ordinaria, non solo dell’elettrone. Anche i quark devono la loro massa al Bosone di Higgs.
Nelle caselle rosse, invece, ci sono i cosiddetti Bosoni di Gauge che sono i messaggeri delle interazioni fondamentali: i gluoni sono i messaggeri dell’Interazione Nucleare Forte; il fotone dell’Interazione Elettromagnetica; il bosone Z ed i bosoni W (sono due per l’esattezza) sono i mediatori dell’Interazione Nucleare Debole.

E la gravità?

C’è una grande assente in tutto ciò: la gravità. Semplicemente nella tabella non c’è nulla che sia legato ad essa, il che è un disastro. Se provassimo a descrivere con un campo quantistico anche questa forza fondamentale, le cose non si mettono affatto bene: cominciano ad apparire problemi enormi e gravi inconsistenze. Il Modello Standard e la teoria della Relatività Generale di Einstein non vanno assolutamente d’accordo. Il problema sembra irrisolvibile a meno di un cambio di vista estremo ed una possibile via di uscita è offerta dalla Teoria delle Stringhe, estremamente promettente e ricca di fenomeni nuovi e ancora incompresi. Ma tutto ciò è un’altra (vastissima) storia…