Il Modello Standard

Ci sono quattro interazioni Così è fatto il mondo….. Ora te lo spiego. Ci sono quattro interazioni fondamentali…. Papà, come è fatto il mondo? E le quattro forze tengono insieme i mattoni elementari che costituiscono la materia…. E’ dalla più remota antichità che l’uomo si interroga sulla struttura dell’Universo Fisico in cui vive e sulle Leggi che governano il suo essere ovvero il suo divenire. Il progresso sulla strada di tale comprensione che è stato compiuto nel XX secolo è strabiliante e non ha paragone rispetto ai progressi compiuti in tutti i secoli precedenti. Con un po’ di presunzione possiamo anche ipotizzare che probabilmente esso rimarrà straordinario anche rispetto ai progressi che verranno compiuti nei secoli successivi. Basti pensare che è soltanto dagli anni tra il 1920 ed il 1930 che si conoscono le reali dimensioni dell’Universo e la sua costante espansione, che la Relatività e la Meccanica Quantistica sono state scoperte nei primi trent’anni del secolo e che è soltanto in questo secolo che la struttura dell’atomo, del nucleo atomico e dei suoi componenti subnucleari sono state svelate. La straordinario successo del secolo XX si può però misurare facilmente sulla base di questa considerazione. Oggi noi sappiamo con ragionevole certezza che l’intero edificio dell’Universo è determinato da e si regge su quattro interazioni, o forze fondamentali. Di queste quattro interazioni soltanto due erano note all’inizio di questo secolo, ed una sola era stata sufficientemente compresa all’inizio del secolo decimottavo.

Ma ci vuole una teoria…. Papà, esiste una teoria che descrive queste forze? La teoria della forza gravitazionale è la relatività generale di Einstein. Esiste dal 1916. La teoria delle altre tre forze è il Modello Standard….. La prima teoria fenomenologica delle interazioni deboli fu fatta da Enrico Fermi. A seguito degli studi teorici teorici degli anni dal 1950 al 1970 che introdussero e stabilirono su fermi principi una classe di teorie dette di Gauge, fu possibile, verso la fine degli anni 1960, introdurre una teoria unificata delle interazioni deboli ed elettromagnetiche denominata, dal nome dei suoi autori, teoria di Weinberg, Salam e Glashow. La teoria consistente delle interazioni forti, la cosiddetta quanto cromodinamica è storia assai recente. Infatti la cromodinamica è ben stabilita e giustificata sperimentalmente solo dalla metà degli anni ‘70 di questo secolo. La teoria dell’interazione gravitazionale è stata per duecento anni la legge di gravitazione universale di Newton. Quest’ultima, però, è incompatibile con i principi della relatività ristretta e quindi, in definitiva, inconciliabile con la teoria dell’eletromagnetismo. Per rimediare a questo problema Einstein introdusse nel 1916 la Relatività Generale che è la teoria gravitazionale in cui noi oggi crediamo. Essa ha superato tutti i test sperimentali e ci rende conto della struttura su grande scala dell’Universo e della sua espansione. Prevede l’esistenza dei buchi neri di cui oggi esiste anche sufficiente evidenza osservativa. Ed il Modello Standard è una teoria creata negli anni 1967-1975 e sperimentalmente verificata solo dal 1983

Oggi abbiamo una buona teoria delle interazioni fondamentali….. Il Modello Standard La gravità di Einstein spiega la legge di Newton, il moto dei pianeti, la struttura dell’Universo a grande scala Descrive le interazioni elettrodeboli e spiega la struttura dell’atomo e del nucleo atomico. Il Modello Standard contiene i mattoni fondamentali che costituiscono la materia La situazione intellettuale di uno studente in Fisica degli anni ‘ 90 è molto diversa da quella di un suo omologo degli anni ‘ 60 od anche dei primi anni ‘ 70. Allo studente contemporaneo ciò che il Corso di Laurea può presentare è una visione ancora imperfetta, ma coerente ed esauriente delle leggi fondamentali dell’Universo fisico. La Relatività Generale spiega la gravitazione ed è l’ambito in cui si può studiare la cosmologia. Ponendo insieme la cromodinamica quantistica che spiega le interazioni forti con la teoria unficata elettrodebole si ottiene il modello standard che spiega le interazioni non gravitazionali. L’intero edificio della Natura è ricondotto a pochi costituenti elementari che interagiscono tramite forze la cui legge è nota. Trent’anni fa, invece, non vi era alcuna teoria certa delle interazioni forti: l’universo subnucleare appariva ancora un indecifrabile rebus popolato da migliaia di particelle instabili sulla cui natura si discuteva. Nemmeno i principi su cui la teoria di questi fenomeni doveva fondarsi erano chiari ed universalmente accettati. Circolavano al contrario idee molto differenti tra di loro e contrapposte.

Il Modello Standard è bello ma… Non può essere la Teoria Finale. Perché? Perché non spiega le masse dei quark e dei leptoni Perché… Soprattutto perché non unifica la gravità con il resto La strada verso la teoria finale di ogni cosa Il modello standard é molto bello ma….. Non può essere la Teoria Finale. Perché? Perché, ad esempio non offre alcuna spiegazione per i valori assunti dalle masse dei quarks e dei leptoni. Perché non da alcuna spiegazione dell’apparentemente fortuita ripetizione degli stessi leptoni e degli stessi quarks in tre famiglie identiche di massa crescente. Per molte altre ragioni che sarebbe difficile spiegare a questo livello. La ragione più ovvia e profonda é che il modello standard non unifica le altre interazioni con la gravità. Essa rimane anomala e differente e per di più piagata da un gravissimo problema. Benchè superbamente in accordo con l’esperimento a livello classico, ogni tentativo di rendere la Relatività Generale consistente con la meccanica quantistica senza tentare allo stesso tempo di unificarla con le altre interazioni è andato finora deluso. Dunque la fisica teorica ha un’ambiziosa strada davanti a sè da percorrere. Insegue una Teoria Finale che spieghi ogni cosa e sa che questa strada ha due passaggi obbligati: la quantizzazione della Relatività Generale e l’unificazione della medesima con il modello standard.

A questo proposito una breve parentesi storica L'idea di unificare le forze nasce da molto lontano. Descrivere le diverse interazioni esistenti in natura in modo unificato è un fatto ricorrente nella fisica teorica. All’inizio del Novecento è nata l'unificazione tra la Relatività Ristretta e l‘Elettromagnetismo. Parallelamente, ai primi del Novecento, grazie ad Einstein, la Gravità è stata unificata con la Relatività Ristretta, dando luogo alla Relatività Generale.

Negli anni quaranta, dopo l'avvento della meccanica quantistica, è nata la QED (Quantum Electro Dynamics), l'elettrodinamica quantistica, che ha unificato la relatività ristretta e l'elettromagnetismo con, appunto, la meccanica quantistica. Negli anni Settanta infine il Modello Standard ha incluso anche le interazioni deboli e successivamente quelle forti, dando vita a un modello quantisticamente consistente (e dal punto di vista sperimentale ottimamente testato) di tre delle quattro interazioni: elettromagnetica, debole e forte.

Notizie e immagini tratte da una presentazione multimediale di Pietro Frè http://www.to.infn.it/%7Efre/PPT/MTHEOA.PPT http://www.to.infn.it/%7Efre/index.htm