Modello Standard

I fermioni sono particelle che si uniscono per formare tutta la "materia" che vediamo. Esempi di gruppi di fermioni sono il protone e il neutrone. I fermioni hanno proprietà, come la carica e la massa, che possono essere viste nella vita quotidiana. Hanno anche altre proprietà, come lo spin, la carica debole, l'ipercarica e la carica di colore, i cui effetti non appaiono di solito nella vita quotidiana. A queste proprietà vengono dati dei numeri chiamati numeri quantici.

I fermioni sono particelle il cui numero di spin è uguale a un numero dispari e positivo per la metà: 1/2, 3/2, 5/2, ecc. Diciamo che i fermioni hanno "mezzo spin intero".

Un fatto importante sui fermioni è che seguono una regola chiamata principio di esclusione di Pauli. Questa regola dice che due fermioni non possono essere nello stesso "posto" allo stesso tempo, perché due fermioni in un atomo non possono avere gli stessi numeri quantici allo stesso tempo. I fermioni obbediscono anche a una teoria chiamata statistica di Fermi-Dirac. La parola "fermione" onora il fisico Enrico Fermi.

Ci sono 12 tipi diversi di fermioni. Ogni tipo è chiamato "sapore". I loro nomi sono:

• Quark - su, giù, strano, fascino, sopra, sotto
• Leptoni - elettrone, muone, tau, neutrino elettronico, neutrino muonico, neutrino tau. L'elettrone è il leptone più conosciuto.

I quark sono raggruppati in tre coppie. Ogni coppia è chiamata "generazione". Il primo quark di ogni coppia ha carica 2/3, e il secondo quark ha carica -1/3. I tre tipi di neutrino hanno carica 0. L'elettrone, il muone e il tau hanno carica -1.

La materia è fatta di atomi, e gli atomi sono fatti di elettroni, protoni e neutroni. Protoni e neutroni sono fatti di quark su e giù. Puoi trovare un leptone da solo, ma non puoi mai trovare i quark da soli. Questo perché i quark sono tenuti insieme dalla forza colore.

I bosoni sono il secondo tipo di particelle elementari nel modello standard. Tutti i bosoni hanno uno spin intero (1, 2, 3, ecc.) quindi molti di loro possono essere nello stesso posto allo stesso tempo. Ci sono due tipi di bosoni, i bosoni di gauge e il bosone di Higgs. I bosoni di gauge sono quelli che rendono possibili le forze fondamentali della natura. (Non siamo ancora sicuri che la gravità funzioni attraverso un bosone di gauge.) Ogni forza che agisce sui fermioni avviene perché i bosoni di gauge si muovono tra i fermioni, trasportando la forza. I bosoni seguono una teoria chiamata statistica di Bose-Einstein. La parola "bosone" onora il fisico indiano Satyendra Nath Bose.

Il modello standard dice che ci sono:

• 12 fermioni, ognuno con la sua antiparticella;
• 12 bosoni di gauge: 8 tipi di gluoni, il fotone, W+, W- e Z;

Queste particelle sono state tutte viste in natura o in laboratorio. Il modello prevede anche l'esistenza di un bosone di Higgs. Il modello dice che i fermioni hanno massa (non sono solo pura energia) perché i bosoni di Higgs viaggiano avanti e indietro tra loro. Si ritiene che il bosone di Higgs sia stato scoperto il 4 luglio 2012. È la particella che dà massa alle altre particelle.

Ci sono quattro forze fondamentali conosciute della natura. Queste forze influenzano i fermioni e sono trasportate dai bosoni che viaggiano tra questi fermioni. Il modello standard spiega tre di queste quattro forze.

• Forza forte: Questa forza tiene insieme i quark per formare gli adroni come i protoni e i neutroni. La forza forte è trasportata dai gluoni. La teoria dei quark, della forza forte e dei gluoni è chiamata cromodinamica quantistica (QCD).
• La forza forte residua tiene insieme protoni e neutroni per formare il nucleo di ogni atomo. Questa forza è portata dai mesoni, che sono composti da due quark.
• Forza debole: Questa forza può cambiare il sapore di un fermione e causare il decadimento beta. La forza debole è portata da tre bosoni di gauge: W+, W-, e il bosone Z.
• Forza elettromagnetica: Questa forza spiega l'elettricità, il magnetismo e altre onde elettromagnetiche tra cui la luce. Questa forza è portata dal fotone. La teoria combinata dell'elettrone, del fotone e dell'elettromagnetismo è chiamata elettrodinamica quantistica.
• La gravità: Questa è l'unica forza fondamentale che non è spiegata dal SM. Potrebbe essere portata da una particella chiamata gravitone. I fisici stanno cercando il gravitone, ma non l'hanno ancora trovato.

Le forze forti e deboli si vedono solo all'interno del nucleo di un atomo. Funzionano solo su distanze molto piccole: distanze che sono circa quanto è largo un protone. La forza elettromagnetica e la gravità funzionano su qualsiasi distanza, ma la forza di queste forze diminuisce man mano che gli oggetti interessati si allontanano. La forza diminuisce con il quadrato della distanza tra gli oggetti interessati: per esempio, se due oggetti diventano due volte più lontani tra loro, la forza di gravità tra loro diventa quattro volte meno forte (²²⁼⁴).

Il modello standard non riesce ad essere una teoria del tutto. Non include la teoria completa della gravitazione come descritta dalla relatività generale, o rende conto dell'espansione accelerata dell'universo (come forse descritto dall'energia oscura). Il modello non contiene alcuna particella di materia oscura che abbia tutte le proprietà osservate nella cosmologia osservazionale. Si ritiene che il modello SM sia teoricamente autoconsistente. Ha dimostrato enormi e continui successi nelle previsioni sperimentali, ma lascia alcune cose inspiegabili.