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Modello standard

Il Modello Standard è una teoria che descrive i componenti primi della materia e le loro interazioni; solo tre delle quattro forze fondamentali osservate in natura sono di fatto considerate dal modello: l'interazione elettromagnetica, quella debole (unificate nella cosiddetta interazione elettrodebole) e l'interazione forte. Esso costituisce una teoria di campo quantistica, consistente quindi con la meccanica quantistica oltre che con la relatività speciale, in cui ciascuna interazione tra i campi di materia è regolata da un'opportuna simmetria locale (di gauge); conseguenza di ciò è che l'interazione tra campi di materia può interpretarsi in termini di scambio di bosoni che, proprio per il loro ruolo, vengono detti bosoni mediatori (o di gauge). I bosoni di gauge del Modello Standard sono i seguenti:

  • il fotone, mediatore dell'interazione elettromagnetica;
  • i bosoni W e Z, che mediano la forza debole;
  • i gluoni, che mediano la forza forte.

Il Modello Standard divide dunque le particelle fondamentali in due tipi: i cosiddetti campi di materia (leptoni - che subiscono solo interazioni elettrodeboli - e quark) e i bosoni mediatori delle forze. Leptoni e quark sono fermioni e, come tali, sono particelle con spin semintero (½ per tutti i fermioni del Modello Standard), al contrario dei bosoni, caratterizzati invece da spin intero (spin 1 nel caso specifico di bosoni di gauge). Una panoramica dei fermioni (in tutto 6 tipi - o sapori - di quark e 6 di leptoni) è rappresentata nell'immagine.

Si dimostra che le trasformazioni di gauge possono essere descritte esattamente per mezzo di un gruppo unitario chiamato gruppo di gauge. Il gruppo di gauge dell'interazione forte è SU(3), mentre quello dell'interazione elettrodebole è SU(2)×U(1): perciò il Modello Standard è noto anche come SU(3)C×SU(2)L×U(1)Y. Tuttavia, se tale simmetria fosse esatta, allora tutti i bosoni di gauge sarebbero privi di massa (come accade per fotoni e gluoni); questa eventualità è esclusa dall'evidenza sperimentale che quantifica la massa di W e Z in circa 80 e 91 GeV/c2 rispettivamente. La possibilità di mantenere la struttura fondamentale del modello, salvaguardandone predittività e consistenza teorica, è offerta dal meccanismo di Higgs, che, a fronte dell'introduzione di un ulteriore campo scalare (un bosone di spin 0), consente di assegnare massa non soltanto ai bosoni W e Z, ma anche a tutti i fermioni del modello rompendo in modo spontaneo la simmetria di gauge; in particolare, la rottura avviene secondo lo schema SU(2)L×U(1)Y×U(1)em, in cui si recupera la simmetria caratteristica dell'elettromagnetismo, di cui non sono state mai osservate violazioni. Benché il bosone di Higgs non sia ancora stato osservato in modo diretto, diverse speculazioni indirette basate sulla consistenza interna del Modello Standard e sulle correzioni quantistiche a quantità misurate sperimentalmente (come la massa del quark top) sembrano preferire una massa del bosone di Higgs dell'ordine della scala elettrodebole (ovvero dell'ordine di 200 GeV/c2). Uno dei maggiori obiettivi di LHC - dopo quanto fatto al LEP e al Tevatron - è stata proprio la ricerca del bosone di Higgs.

Come detto, ci si aspettava che LHC, avendo iniziato a raccogliere dati dall'autunno 2009 dopo la lunga pausa, fosse in grado di confermare l'esistenza di tale bosone. Il 13 dicembre 2011, in un seminario presso il Cern, sono stati illustrati I risultati degli esperimenti ATLAS e CMS, coordinati dai fisici italiani Fabiola Gianotti e Guido Tonelli. Tali risultati, individuavano una nuova particella, presumibilmente il bosone di Higgs, in un intervallo di energia fra i 124 e 126 GeV con una probabilità prossima al 99%. Benché tale valore fosse sicuramente notevole, la comunità scientifica richiede che, prima di poter annunciare ufficialmente una scoperta, sia raggiunto un livello di confidenza, ossia una possibilità di errore dovuto al caso, non superiore a 6 parti su 10 milioni, corrispondente a una probabilità del 99,99994% (pari a 5 deviazioni standard, indicate anche con la lettera greca sigma).

Il 5 aprile 2012, nell'anello che corre con i suoi 27 km sotto la frontiera tra Svizzera e Francia, veniva raggiunta l'energia massima mai toccata di 8 000 miliardi di elettronvolt (8 TeV). I dati addizionali acquisiti a questa energia hanno permesso di raggiungere la precisione richiesta di 5 sigma, così che il CERN, il 4 luglio 2012, ha potuto annunciare la scoperta di una particella compatibile con il bosone di Higgs, dotata di una massa intorno ai 126 GeV per l'esperimento ATLAS e ai 125,3 GeV per l'esperimento CMS.

La scoperta del Bosone di Higgs è stata ufficialmente confermata il 6 Marzo 2013, nel corso di una conferenza tenuta a La Thuile. Adesso, il progetto dell'LHC e dei suoi esperimenti ATLAS e CMS, è proprio lo studio delle caratteristiche e proprietà di questa nuova particella, insieme alla ricerca di Nuova Fisica oltre a quella prevista dal Modello Standard.

Ad oggi, essenzialmente tutte le verifiche sperimentali del Modello Standard si sono dimostrate in accordo con le previsioni; nonostante ciò, il Modello Standard non può considerarsi una teoria completa delle interazioni fondamentali, dal momento che non include una descrizione della gravità e non è compatibile con la relatività generale. Ecco allora la necessità di cominciare a esplorare oltre la scala elettrodebole, alla ricerca di simmetrie o dimensioni più estese di quelle che oggi caratterizzano il Modello Standard.

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Ultimo aggiornamento:  08/10/2014