oltre la teoria standard

"Dividendo la materia in unità sempre più piccole,

non giungiamo alle unità fondamentali 

e indivisibili; giungiamo però a un punto

in cui la divisione non ha più senso"

(W. Heisenberg)

il modello standard

Negli ultimi cinquant'anni sono stati compiuti notevoli progressi nell'identificazione dei costituenti fondamentali della materia e delle forze fondamentali attraverso le quali questi costituenti interagiscono. Secondo quello che è oggi chiamato modello standard dei processi elementari, tutta la materia è costituita di quark e di leptoni, le cui reciproche interazioni sono mediate dallo scambio delle cosiddette particelle di gauge. Si pensa anche che esistano quattro tipi fondamentali di interazione:  elettromagnetica, debole, forte e gravitazionale.

Per esempio, l'elettrone è classificato come leptone e le sue interazioni elettromagnetiche con il protone sono mediate da una particella di gauge chiamata fotone. Il decadimento beta, il processo fondamentale delle reazioni nucleari sul Sole, è un risultato dell'interazione debole ed è mediato dallo scambio delle particelle di gauge chiamate bosoni vettori deboli. Il protone, il neutrone e molte altre particelle sono classificati come adroni e sono formati da tre quark con carica frazionaria. I quark sono tenuti assieme da un'interazione forte, l'interazione di colore, mediata dallo scambio di altri otto tipi di particelle di gauge, i gluoni. Per analogia con queste tre interazioni si ipotizza che un'altra particella di gauge, il gravitone, medi l'interazione gravitazionale, ma essa non è ancora stata rivelata. Si ritiene oggi che vi siano complessivamente sei quark con i corrispondenti antiquark ciascuno in tre varietà di "colore", sei leptoni e le loro sei corrispondenti antiparticelle, un fotone, tre bosoni vettori deboli, otto gluoni e forse un gravitone.

Il modello standard si basa principalmente sui dati ricavati dai grandi protosincrotroni del Fermilab e del CERN (l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare), dallo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), dai collisori per elettroni e positoni della Cornell University, di Amburgo e di Stanford e dal collisore protone-antiprotone del CERN. Anche delicati esperimenti a bassa energia hanno fornito importanti contributi alla conoscenza. I quark sono stati originariamente introdotti come entità puramente teoriche, dopo la scoperta di centinaia di adroni, per poter ripristinare una qualche organizzazione fondamentale nella proliferazione delle particelle "elementari". Essi hanno acquisito una certa vaga realtà in seguito ai risultati ottenuti nel corso di una grande varietà di esperimenti, ma è stato soltanto nel 1974 che la convinzione che i quark esistessero venne saldamente ribadita dalla simultanea scoperta della particella J/psi, prevista sulla base dell'ipotesi dei quark, scoperta che ebbe luogo allo SLAC e a Brookhaven.

Una componente di rilievo del modello standard è la teoria elettrodebole. Nelle sue attuali versioni, i sei quark e i sei leptoni sono raggruppati in tre generazioni, a ognuna delle quali viene assegnata una coppia di quark e una di leptoni. Le interazioni elettromagnetica e debole vengono descritte come aspetti diversi di una sola interazione fondamentale, chiamata elletrodebole. La teoria ellettrodebole fornisce esatte previsioni su una gran varietà di fenomeni ed è stata confermata in dettaglio da vari esperimenti. La sua più spettacolare conferma sperimentale si ebbe al CERN nel 1983 con la scoperta dei tre bosoni vettori deboli, le particelle W⁺ , W^- e Z⁰ .

La teoria elettrodebole rispetta una tradizione che ha caratterizzato il pensiero scientifico fin dalle sue origini nell'antica Grecia: l'unificazione di fenomeni diversi in un solo insieme di concetti. E per molti fisici si tratta del classico tipo di teoria che dovrebbe un giorno riuscire a dare un'interpretazione unitaria di tutte e quattro le interazioni fondamentali della natura. In base ad essa, l'unificazione delle interazioni debole ed elettromagnetica si manifesta solo a energie estremamente elevate. A queste energie le due interazioni sono equivalenti perchè le masse dei bosoni di gauge che le mediano sono effettivamente nulle e può venire alla luce senza alcun impedimento la loro completa simmetria.

L'ipotesi di una simmetria di questo tipo alle alte energie è in netto contrasto con le proprietà delle due interazioni nell'ambiente comune di laboratorio. Qui il raggio d'azione dell'interazione debole è circa 1000 volte minore del diametro del nucleo atomico, mentre il raggio d'azione dell'interazione elettromagnetica è infinito. Secondo la teoria elettrodebole questa differenza è dovuta al fatto che i bosoni di gauge deboli sono particelle molto pesanti, mentre la massa del bosone di gauge elettromagnetico (il fotone) è nulla. Si dice, allora, che la simmetria delle due interazioni si rompe.

oltre la teoria standard

il Modello Standard e le sue verifiche sperimentali di Guido Altarelli