Tutta la natura nasce da una manciata di componenti – le particelle fondamentali – che interagiscono tra loro in pochi modi diversi. Negli anni ’70, i fisici hanno sviluppato una serie di equazioni che descrivono queste particelle e interazioni. Insieme, le equazioni hanno formato una teoria succinta ora conosciuta come il Modello Standard della fisica delle particelle.
Il Modello Standard manca di alcuni pezzi del puzzle (vistosamente assenti sono le presunte particelle che compongono la materia oscura, quelle che trasmettono la forza di gravità, e una spiegazione per la massa dei neutrini), ma fornisce un quadro estremamente accurato di quasi tutti gli altri fenomeni osservati.
Per un quadro che racchiude la nostra migliore comprensione dell’ordine fondamentale della natura, il Modello Standard manca ancora di una visualizzazione coerente. La maggior parte dei tentativi è troppo semplice, o ignora importanti interconnessioni o è confusa e opprimente.
Consideriamo la visualizzazione più comune, che mostra una tavola periodica di particelle:
Questo approccio non offre una comprensione delle relazioni tra le particelle. Le particelle portatrici di forza (cioè il fotone, che trasmette la forza elettromagnetica; i bosoni W e Z, che trasmettono la forza debole; e i gluoni, che trasmettono la forza forte) sono messi sullo stesso piano delle particelle di materia tra cui agiscono quelle forze – quark, elettroni e loro parenti. Inoltre, proprietà chiave come il “colore” sono lasciate fuori.
Un’altra rappresentazione è stata sviluppata per il film del 2013 Particle Fever:
Mentre questa visualizzazione enfatizza correttamente la centralità del bosone di Higgs – il perno del Modello Standard, per ragioni spiegate più avanti – l’Higgs è posto accanto al fotone e al gluone, anche se in realtà l’Higgs non influenza queste particelle. E i quadranti del cerchio sono fuorvianti – implicando, per esempio, che il fotone si accoppia solo alle particelle che tocca, il che non è vero.
Un nuovo approccio
Chris Quigg, un fisico delle particelle al Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois, ha pensato per decenni a come visualizzare il Modello Standard, sperando che una rappresentazione visiva più potente potesse aiutare le persone a familiarizzare con le particelle conosciute della natura e spingerle a pensare a come queste particelle potrebbero inserirsi in un quadro teorico più ampio e completo. La rappresentazione visiva di Quigg mostra più dell’ordine e della struttura sottostante del Modello Standard. Egli chiama il suo schema la rappresentazione “double simplex”, perché le particelle mancine e destre della natura formano ciascuna un simplex – una generalizzazione di un triangolo. Abbiamo adottato lo schema di Quigg e apportato ulteriori modifiche.
Costruiamo il doppio simplex da zero.
Quark in basso
Le particelle di materia si presentano in due varietà principali, leptoni e quark. (Si noti che, per ogni tipo di particella di materia in natura, esiste anche una particella di antimateria, che ha la stessa massa ma è opposta in ogni altro modo. Come hanno fatto altre visualizzazioni del Modello Standard, elidiamo l’antimateria, che formerebbe un doppio simplex separato e invertito.
Iniziamo con i quark, e in particolare i due tipi di quark che compongono i protoni e i neutroni nei nuclei atomici. Questi sono il quark up, che possiede due terzi di unità di carica elettrica, e il quark down, con una carica elettrica di -1/3.
I quark up e down possono essere “mancini” o “destri” a seconda che girino in senso orario o antiorario rispetto alla loro direzione di movimento.
Cambio debole
I quark up e down mancini possono trasformarsi l’uno nell’altro, tramite un’interazione chiamata forza debole. Questo accade quando i quark si scambiano una particella chiamata bosone W – uno dei portatori della forza debole, con una carica elettrica di +1 o -1. Queste interazioni deboli sono rappresentate dalla linea arancione:
Stranamente, non ci sono bosoni W destri in natura. Questo significa che i quark destri su e giù non possono emettere o assorbire bosoni W, quindi non si trasformano l’uno nell’altro.
Colori forti
I quark possiedono anche un tipo di carica chiamata colore. Un quark può avere una carica di colore rosso, verde o blu. Il colore di un quark lo rende sensibile alla forza forte.
La forza forte lega quark di colori diversi insieme in particelle composite come protoni e neutroni, che sono “incolori”, senza carica netta di colore.
I quark si trasformano da un colore all’altro assorbendo o emettendo particelle chiamate gluoni, i portatori della forza forte. Queste interazioni formano i lati di un triangolo. Poiché i gluoni possiedono essi stessi una carica di colore, interagiscono costantemente tra loro e con i quark. Le interazioni tra gluoni riempiono il triangolo.