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Il meraviglioso mondo delle particelle elementari: ci sono davvero solo 61 tipi di particelle nel nostro universo?
La fisica delle particelle è lo studio delle particelle elementari che compongono la materia e la radiazione, nonché delle loro interazioni. Questo campo comprende non solo lo studio delle particelle elementari, ma anche della materia composta da particelle elementari, come protoni e neutroni. Secondo il modello standard, le particelle fondamentali dell'universo si dividono in fermioni (particelle di materia) e bosoni (particelle che trasmettono forza). Sebbene nell'universo esistano tre generazioni di fermioni, la materia ordinaria con cui entriamo in contatto nella nostra vita quotidiana è composta solo da fermioni di prima generazione, vale a dire quark up e quark down, elettroni e neutrini elettronici.
Le particelle fondamentali interagiscono tra loro in modi complessi, mediati dai bosoni, tra cui la forza elettromagnetica, la forza debole e la forza forte.
È interessante notare che i quark non possono esistere indipendentemente, ma piuttosto sotto forma di adroni; le particelle con un numero dispari di quark in un adrone sono chiamate barioni, mentre le particelle con un numero pari di quark sono chiamate mesoni. Protoni e neutroni sono costituiti principalmente da barioni e costituiscono la stragrande maggioranza della nostra materia quotidiana. Rispetto ai protoni e ai neutroni, i muoni sono instabili e durano solo pochi microsecondi.
Ogni particella ha una corrispondente antiparticella, che ha la stessa massa della particella ma carica opposta. Ad esempio, l'antiparticella dell'elettrone è il positrone. Ciò significa che l'esistenza di antiparticelle e antimateria è teoricamente possibile.
Ricerche correlate dimostrano che l'interazione tra particelle e antiparticelle può portare alla loro annientamento e trasformazione in altre particelle, il che conferma ulteriormente la complessità della materia.
Per alcune particelle, come i fotoni, sono le loro stesse antiparticelle. Queste particelle elementari sono in realtà stati eccitati di campi quantistici, responsabili delle interazioni tra le particelle. Il Modello Standard è la teoria dominante che spiega queste particelle elementari e le loro interazioni. Come integrare la gravità con le teorie esistenti della fisica delle particelle resta un problema irrisolto. Molte teorie come la gravità quantistica a loop, la teoria delle stringhe e la teoria della supersimmetria sono state proposte per risolvere questo problema.
Contesto storicoL'idea che la materia sia composta da particelle elementari risale al VI secolo a.C. Nel XIX secolo, John Dalton, attraverso i suoi studi sulla stechiometria, giunse alla conclusione che ogni elemento presente in natura era costituito da un tipo unico di particella. Ricerche successive hanno dimostrato che gli atomi non sono le particelle più elementari della materia, ma sono composti da particelle più piccole (come gli elettroni).
Dopo l'inizio del XX secolo, l'esplorazione della fisica nucleare e della fisica quantistica portò alla scoperta della fissione nucleare e della fusione nucleare nel 1939, che non solo innescarono lo sviluppo di armi nucleari, ma promossero anche lo sviluppo della moderna fisica delle particelle.
Nel corso degli anni '50 e '60, vennero scoperte varie particelle in collisioni ad alta energia, un fenomeno noto come "zoo delle particelle", che ispirò i fisici a pensare a nuovi problemi legati allo squilibrio tra materia e antimateria.
Dopo la proposta del Modello Standard, i fisici hanno scoperto che questo folle "zoo di particelle" era formato dalla combinazione di poche particelle fondamentali, segnando l'inizio della moderna fisica delle particelle.
Introduzione al Modello Standard
L'attuale classificazione di tutte le particelle elementari è spiegata principalmente dal Modello Standard, che ha ottenuto ampia accettazione e conferma sperimentale a metà degli anni '70. Il Modello Standard descrive le tre interazioni fondamentali, forte, debole ed elettromagnetica, e utilizza bosoni mediatori per spiegarle, tra cui otto gluoni, i bosoni W−, W+ e Z e il fotone. Il Modello Standard comprende anche 24 fermioni fondamentali (12 particelle e le loro antiparticelle) che costituiscono gli elementi costitutivi di base di tutta la materia.
Il Modello Standard prevede anche l'esistenza del bosone di Higgs. Il 4 luglio 2012, i fisici del Large Hadron Collider del CERN hanno annunciato di aver scoperto una nuova particella che si comporta come il bosone di Higgs. L'attuale Modello Standard prevede 61 particelle fondamentali che possono combinarsi per formare particelle composite, il che spiega anche le centinaia di altre particelle scoperte a partire dagli anni '60.
Sebbene il Modello Standard abbia dimostrato un'elevata coerenza in quasi tutti i test sperimentali, la maggior parte dei fisici delle particelle ritiene che la sua descrizione della natura sia incompleta e che una teoria più completa debba ancora essere scoperta. Recenti misurazioni della massa dei neutrini hanno portato alla prima deviazione dal Modello Standard, secondo cui i neutrini non hanno massa.Prospettive future
I principali sforzi futuri includono ricerche sulla fisica oltre il Modello Standard, come il Future Circular Collider proposto dal CERN, e raccomandazioni del US Particle Physics Prioritization Panel (P5), che aggiornerà lo studio P5 del 2014. Il rapporto raccomanda diversi progetti sperimentali, tra cui l'esperimento sui neutrini nel sottosuolo.
Le interazioni tra varie particelle rendono il nostro universo pieno di incognite e sorprese. Ma quante particelle e interazioni non scoperte sono nascoste in questo infinito e profondo mondo di particelle?
