Le particelle subatomiche sono gli elementi costitutivi dell'universo, componenti più piccoli di un atomo. Sono fondamentali per comprendere le leggi della natura e la struttura della materia. Nel corso di questa lezione, ci imbarcheremo nell'esplorazione di queste particelle, delle loro proprietà e del modo in cui interagiscono, gettando le basi per comprendere la fisica delle particelle.
Il Modello Standard è la teoria che descrive tre delle quattro forze fondamentali conosciute nell'universo, esclusa la gravità, e classifica tutte le particelle subatomiche conosciute. Classifica queste particelle in fermioni (particelle di materia) e bosoni (portatori di forza).
I fermioni sono ulteriormente suddivisi in quark e leptoni, mentre i bosoni includono fotoni, bosoni W e Z, gluoni e il bosone di Higgs. I quark si combinano per formare protoni e neutroni, i componenti dei nuclei atomici, mentre i leptoni includono gli elettroni, che orbitano attorno al nucleo.
I quark sono disponibili in sei tipi o "sapori": su, giù, fascino, strano, superiore e inferiore. Sperimentano tutte e quattro le forze fondamentali, inclusa la forza nucleare forte che li tiene insieme all'interno di protoni e neutroni. I quark non si trovano mai isolati a causa di un fenomeno chiamato “confinamento del colore”; esistono in coppie o in gruppi di tre, formando adroni come i protoni (due quark up e un quark down) e i neutroni (due quark down e un quark up).
I leptoni, invece, non sperimentano la forza nucleare forte. L'elettrone è il leptone più conosciuto, spesso presente nella nube che circonda il nucleo atomico. Altri leptoni includono il muone, il tau e i loro corrispondenti neutrini, che sono quasi privi di massa e interagiscono molto debolmente con la materia.
I bosoni sono particelle che mediano le forze fondamentali. Il fotone è il portatore della forza elettromagnetica, mentre i bosoni W e Z sono responsabili della forza nucleare debole, responsabile dei processi di decadimento nucleare. I gluoni trasportano la forza nucleare forte, tenendo insieme i quark all'interno di protoni e neutroni. Il bosone di Higgs, scoperto nel 2012 al Large Hadron Collider (LHC), è associato al campo di Higgs, che dà massa alle particelle.
Ogni tipo di particella nel Modello Standard ha una corrispondente antiparticella, identica in massa ma opposta in altre proprietà come la carica elettrica. Quando particelle e antiparticelle si incontrano, si annichilano, convertendo la loro massa in energia secondo l'equazione di Einstein, \(E = mc^2\) , dove \(E\) è energia, \(m\) è massa e \(c\) è la velocità della luce.
Diversi esperimenti sono stati cruciali nella nostra comprensione delle particelle subatomiche:
La QCD è la teoria che spiega la forza nucleare forte, una delle quattro forze fondamentali, che opera tra quark e gluoni. Si presuppone che i quark siano portatori di una proprietà chiamata "carica di colore" e che lo scambio di gluoni, che portano anche la carica di colore, medi la forza forte. L'intensità della forza forte diminuisce man mano che i quark si avvicinano, una proprietà nota come "libertà asintotica".
La teoria elettrodebole unifica le forze elettromagnetiche e quelle nucleari deboli in un unico quadro. Spiega come, a livelli energetici elevati (come quelli immediatamente successivi al Big Bang), queste due forze si comportano come una sola. La teoria prevede l'esistenza dei bosoni W e Z, confermata poi sperimentalmente.
Nonostante il suo successo, il Modello Standard non è completo. Non incorpora la gravità, descritta dalla teoria della relatività generale, né spiega la materia oscura e l’energia oscura che costituiscono la maggior parte dell’universo. Teorie come la supersimmetria e la teoria delle stringhe propongono estensioni al Modello Standard, introducendo nuove particelle e concetti nel tentativo di affrontare questi misteri.
In conclusione, le particelle subatomiche, i componenti più fondamentali della materia, sono fondamentali per comprendere la struttura dell'universo e le forze sottostanti che lo modellano. Lo studio di queste particelle, attraverso quadri teorici come il Modello Standard ed esperimenti innovativi, continua a sfidare ed espandere la nostra conoscenza del cosmo.
