Teoria assolutamente incredibile per quasi tutto

Come funziona il nostro mondo a livello subatomico?

Modulo standard. Che nome noioso per la teoria scientifica più accurata conosciuta dall’umanità.

Più di un quarto dei Premi Nobel per la Fisica nel secolo scorso sono input diretti o risultati diretti del Modello Standard. Tuttavia, il suo nome suggerisce che se puoi permetterti qualche dollaro in più al mese, dovresti acquistare l’aggiornamento. Come fisico teoricoMi piace l’incredibile teoria di quasi tutto. Questo è ciò che realmente è il Modello Standard.

Molti ricordano l’entusiasmo che ha prevalso tra gli scienziati e i media durante il 2012 Alla scoperta del bosone di Higgs. Ma l’evento tanto esaltato non è venuto fuori dal nulla: ha coronato una serie di cinque decenni di imbattibilità per il modello da record. In essa è inclusa ogni forza fondamentale eccetto la gravità. Ogni tentativo di abolirlo per dimostrare in laboratorio che deve essere rielaborato è in gran parte fallito e ce ne sono stati molti negli ultimi 50 anni.

In breve, il Modello Standard risponde a questa domanda: di cosa è fatto tutto e come tiene insieme?

blocchi di costruzione più piccoli

Sai, ovviamente, che il mondo intorno a noi è fatto di molecole e le molecole sono fatte di atomi. Chimico Dmitri Mendeleev Negli anni ’60 dell’Ottocento scoprì come organizzare tutti gli atomi – gli elementi – sulla tavola periodica che probabilmente hai studiato alle medie. Ma ci sono 118 diversi elementi chimici. C’è antimonio, arsenico, alluminio, selenio… e altri 114.

Ma questi elementi possono essere ulteriormente suddivisi. Credito: Robin Vera Koster

I fisici amano le cose semplici. Vogliamo riassumere le cose fino in fondo, alcuni elementi costitutivi di base. Più di cento elementi chimici non è facile. Gli antichi credevano che tutto consistesse di soli cinque elementi – Terra, acqua, fuoco, aria ed etere. Cinque è molto più semplice di 118. È anche sbagliato.

Nel 1932, gli scienziati sapevano che tutti questi atomi consistevano di sole tre particelle: neutroni, protoni ed elettroni. Neutroni e protoni sono strettamente legati insieme nel nucleo. Gli elettroni, migliaia di volte più leggeri, orbitano attorno al nucleo quasi alla velocità della luce. fisici tavolae Bohre Schrödingere Heisenberg E gli amici hanno inventato una nuova scienza – Meccanica quantistica – Per spiegare questo movimento.

Sarebbe stato un posto soddisfacente dove fermarsi. Solo tre particelle. Tre è più semplice di cinque. Ma come si uniscono? Elettroni caricati negativamente e protoni caricati positivamente si legano insieme Elettromagnetico. Ma i protoni sono tutti rannicchiati nel nucleo e le loro cariche positive dovrebbero allontanarli. I neutroni neutri non possono aiutare.

Cosa tiene insieme questi protoni e neutroni? “Intervento divino”, mi disse un uomo all’angolo di Toronto Street; Aveva un opuscolo, potevo leggerlo tutto. Ma questo scenario sembrava creare molti problemi anche per un essere divino: osservare ciascuno dei protoni e neutroni a 108 gradi nell’universo e piegarli secondo la sua volontà.

Espandi lo zoo di particelle

Nel frattempo, la natura ha crudelmente rifiutato di mantenere il suo zoo dalle particelle a solo tre. Quattro davvero, perché dobbiamo contare Fotone, una particella di luce Einstein descritto. Da quattro a cinque è cresciuto quando Anderson Gli elettroni misurati con una carica positiva – i positroni – colpiscono la Terra dallo spazio. al massimo Dirac Aveva previsto queste prime particelle di antimateria. Cinque divennero sei quando i pionieri che Yukawa Mi aspettavo che avrebbe tenuto insieme il nucleo.

Poi è arrivato il muone: è 200 volte più pesante dell’elettrone, ma a parte questo era il suo gemello. “Chi l’ha chiesto?” seconda primavera sarcastico. Questo riassume. Il numero sette. Non solo non semplice, ridondante.

Negli anni ’60 c’erano centinaia di particelle “fondamentali”. Invece di una tavola periodica ben ordinata, c’erano lunghe liste di barioni (particelle pesanti come protoni e neutroni) e mesoni (come Yukawapioni) e leptoni (particelle di luce come elettroni e neutrini inafferrabili), senza regolazione e senza principi guida.

In questa violazione si discostava dal modello standard. Non era un luccichio di brillantezza durante la notte. Nessun Archimede è saltato fuori dalla vasca urlando “Eureka”. Invece, sono state una serie di idee critiche di alcune persone chiave a metà degli anni ’60 a trasformare questo pantano in una semplice teoria, e poi cinque decenni di verifica empirica e delucidazione teorica.

Il modello standard delle particelle elementari fornisce un elenco di componenti per tutto ciò che ci circonda. Crediti: Laboratorio Nazionale Acceleratori Fermi

particelle subatomiche. Sono disponibili in sei tipi che chiamiamo aromi. Come il gelato, non è gustoso. Invece di vaniglia, cioccolato, ecc., abbiamo su, giù, strano, magico, basso e su. Nel 1964, Jill Man e Zweig Le ricette ci hanno insegnato: mescola e abbina tre quark qualsiasi per ottenere un barione. I protoni sono due tipi di quark up e quark down legati insieme; I neutroni sono punti su e giù. Scegli un quark e un antiquark per ottenere un mesone. Un pione è un quark up o down associato a un quark up o down. Tutta la nostra materia quotidiana è composta da quark up e down, antiquark ed elettroni.

di base. Bene, è semplice, perché tenere legati quei quark è un risultato. Sono legati così strettamente che non hai mai trovato un quark o un antiquark da soli. La teoria di questa associazione e le particelle chiamate gluoni (risatine) sono responsabili Cromodinamica quantistica. È una parte vitale del Modello Standard, ma è matematicamente difficile, poiché pone anche un problema irrisolto nella matematica di base. Noi fisici facciamo del nostro meglio per calcolarlo, ma stiamo ancora imparando come.

L’altro lato del modello standard èmodello di leptoni. Questo è il nome del marchio cartaceo del 1967 di prima Stefano Weinberg Ciò ha combinato la meccanica quantistica con elementi vitali di conoscenza di come le particelle interagiscono e ha organizzato le due in un’unica teoria. Combinava l’elettromagnetismo familiare, unendolo a quella che i fisici chiamavano la “forza debole” che causa un certo decadimento radioattivo, e spiegava che erano aspetti diversi della stessa forza. inserito meccanismo di Higgs Dare massa alle particelle fondamentali.

Da allora, il Modello Standard ha previsto i risultati di esperimento dopo esperimento, inclusa la scoperta di diversi tipi di quark e quark. W e Z. bosoni Particelle pesanti per interazioni deboli come il fotone per l’elettromagnetismo. La possibilità di esso I neutrini non sono privi di massa È stato trascurato negli anni ’60, ma è scivolato facilmente nel modello standard negli anni ’90, pochi decenni dopo che la festa era in ritardo.

Vista 3D di un evento registrato all’acceleratore di particelle del CERN che mostra le proprietà attese del decadimento del bosone SM di Higgs in una coppia di fotoni (linee tratteggiate gialle e guglie verdi). credito: Thomas McCauley; Taylor, Luca. Per CMS CERN.cooperazione

La scoperta del bosone di Higgs nel 2012, da tempo prevista dal Modello Standard e da un lungo inseguimento in seguito, è stata eccitante ma non una sorpresa. È stata un’altra vittoria decisiva per il Modello Standard sulle forze oscure che i fisici delle particelle hanno ripetutamente avvertito incombere. Preoccupati che il modello standard non catturasse adeguatamente le loro aspettative di semplicità, preoccupati per l’autocoerenza matematica o aspirando alla necessità ultima di portare la forza di gravità nell’ovile, i fisici hanno avanzato diverse proposte per teorie oltre lo standard. Modello. Questi hanno nomi interessanti come grandi teorie unificatee Supersimmetriae colore tecnico, E teoria delle stringhe.

Sfortunatamente, almeno per i loro sostenitori, le teorie al di là del Modello Standard non hanno previsto con successo alcun nuovo fenomeno empirico o alcuna incoerenza empirica con il Modello Standard.

Cinque decenni dopo, lungi dal chiedere una promozione, il modello standard lo è vale la pena festeggiare Come una teoria piuttosto sorprendente per quasi tutto.

Scritto da Glenn Starkman, Distinguished University Professor of Physics, Case Western Reserve University.

Questo articolo è stato pubblicato per la prima volta in Conversazione.