Il modello Standard della fisica quantistica è una descrizione semplice ed elegante della Natura; è la teoria che descrive le particelle fondamentali e le forze attraverso le quali esse interagiscono; costituisce l’anello di congiunzione tra la fisica delle particelle fondamentali e l’astronomia. Per teoria si intende un formalismo che rende prevedibile, dato un valore iniziale, la misura di un qualcosa, tramite calcoli matematici che stanno alla base della teoria stessa.

Gli elementi base del modello Standard sono i ‘Campi’, infatti è detta ‘Teoria quantistica dei Campi’, e questi sono:

Campo Elettrico     responsabile p.es. dei fulmini quando si crea un Campo elettrico tra le nuvole e la Terra

Campo Magnetico che determina l’interazione tra calamite

Campo di Higgs      nuova entità che vedremo in seguito.

In essa sono descritte 3 delle 4 Forze fondamentali: Elettromagnetica, Nucleare Debole, Nucleare Forte.

La quarta forza che non viene considerata è la forza Gravitazionale.

Le particelle elementari fondamentali che costituiscono la materia che conosciamo e le interazioni tra essa si possono identificare in: Fermioni, Bosoni e Bosone di Higgs.

FERMIONI      particelle di materia, suddivise in Quarks e Leptoni; alcune sono stabili ed altre instabili

BOSONI        mediatori delle forze, cioè che generano e gestiscono le interazioni tra i Fermioni

Bosone HIGGS  detta anche ‘particella di Dio’, prende nome dal fisico scozzese Higgs che ne teorizzò l’esistenza. Grazie a questa, le particelle, originariamente tutte con massa nulla, acquisterebbero ognuna la propria massa 

Vediamo in dettaglio le caratteristiche di ciascuna di esse.

I Fermioni sono particelle di materia con una loro massa tranne i Fotoni ed i Gluoni che hanno massa zero.

La materia, per quanto varia e complessa, è formata da solo 4 Fermioni (presenti nella prima colonna in rosso della loro tabella): Quark Up, Quark Down, Elettroni e Neutrini elettronici, che sono le uniche ad essere stabili, cioè posso perdurare infinitamente; gli altri Fermioni sono particelle instabili, che durano molto poco, infatti decadono in una delle 4 particelle stabili, per esempio il Quark Top decade in un Up o in un Down, un Muone decade in un Elettrone o nel suo corrispondente Neutrino.

Come una composizione musicale che si basa su poche note, anche per queste particelle elementari, grazie alle loro molteplici combinazioni, danno origine al nostro universo in tutte le sue forme conosciute.

I Bosoni non sono particelle di materia; amano i comportamenti collettivi anziché individuali, intervengono nelle interazioni tra i Fermioni mediando le forze che si generano, come se fungessero da portatori dell’informazione che ci deve essere un’interazione (Forza) tra uno o più Fermioni (particelle).
Un paragone, non corretto, ma che rende l’idea, è come nelle partite di calcio, ci sono 22 giocatori, e tutti si muovono ed interagiscono grazie alla presenza del ‘Pallone’; è lui che media e determina le forze di attrazione o repulsione tra i giocatori.
Vediamo qual è il loro campo di azione:

Ponendo vicini un Protone ed un Elettrone, ci sarà un interscambio continuo di Fotoni tra loro, questo scambio farà sì che le due particelle capiscano che si devono attrarre, cioè si genera una forza di attrazione Elettrica. Analogamente, se ci fossero 2 Protoni (o 2 Elettroni), questi si respingerebbero avendo riconosciuto, sempre tramite lo scambio di Fotoni, che sono prossimi ad una particella con la stessa carica.

Nell’atomo, al suo interno c’è il nucleo che è principalmente costituito di Protoni, ma allora, se abbiamo appena detto che tramite lo scambio continuo di Fotoni si dovrebbero respingere, come fanno a rimanere stabili nel nucleo? Perché intervengono i Gluoni, che, come fanno i Fotoni, informano i Protoni che si devono attrarre, cioè si genera una forza nucleare Forte, molto maggiore della forza Elettromagnetica, e questo li mantiene uniti.

Infine, ma non ultimo se non in ordine di scoperta, c’è il Bosone di Higgs, detto anche ‘particella di Dio’; prende nome dal fisico scozzese Peter Higgs che ne teorizzò l’esistenza nel 1964 poi confermata sperimentalmente nel 2012 ed ufficializzata nel 2013 dall’esperimento ATLAS del CERN nel suo laboratorio sotterraneo tra Svizzera e Francia.

Bosone di Higgs H rende il Vuoto un’entità che possiede determinate proprietà fisiche e con cui le particelle elementari possono interagire, quindi nel formalismo matematico, diventa un nuovo campo, detto appunto ‘Campo di Higgs’.
Il Bosone di Higgs, quindi, è come se riempisse il vuoto rendendolo come un fluido e le particelle, di conseguenza, è come se subissero un attrito. In base a come una particella che si muove nel Campo di Higgs, interagisce con il Bosone di Higgs, questa assume una sua massa.
Un paragone che ci può aiutare è quello di immaginare il campo di Higgs come una pista da sci; se sono uno sciatore, scivolerò via senza interagire con la neve, quindi come una particella con massa zero (p.es. Fotoni) e potrò raggiungere la massima velocità possibile (quella della luce c ≃ 3× 10⁸ m/s); se fossi dotato di ciaspole, affonderò leggermente nella neve e viaggerò lentamente, come una particella dotata di massa che interagisce con il campo (p.es. Elettroni) , se, infine, indosso solo gli scarponi affonderò di più nella neve e viaggerò molto lentamente come una particella con una grande massa (p.es. Quark Top, Bosoni Z e W^±).
Un altro approccio per questa interpretazione può essere quello di immaginare le particelle come pesci, di cui vogliamo studiarne le proprietà, come e quanto velocemente si muovono, quanto sono grandi, e così via. Certo, per fare questo, dobbiamo capire l’ambiente in cui essi vivono, in altre parole dobbiamo sapere che cos’è l’acqua.

 

Dimensioni espresse in metri (m):

Raggio dell’Universo osservabile	10+26
Diametro della Via Lattea	10+21
Distanza dal Sole	10+11
Terra	10 +6
Uomo	1
Goccia di pioggia	10 -3
Batterio	10 -6
Atomo idrogeno	10-10
Nucleo	10-14
Protone	10-15
Elettrone	10-18