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Di cosa è fatto il mondo?

Gli elementi costitutivi

I fisici hanno identificato 12 elementi costitutivi che sono i costituenti fondamentali della materia., Il nostro mondo quotidiano è fatto di soli tre di questi elementi costitutivi: il quark up, il quark down e l’elettrone. Questo insieme di particelle è tutto ciò che serve per creare protoni e neutroni e per formare atomi e molecole. Il neutrino elettronico, osservato nel decadimento di altre particelle, completa il primo set di quattro elementi costitutivi.

Gli elementi costitutivi della materia: sei quark e sei leptoni.,

Per qualche ragione la natura ha scelto di replicare questa prima generazione di quark e leptoni per produrre un totale di sei quark e sei leptoni, con massa crescente. Come tutti i quark, il sesto quark, chiamato top, è molto più piccolo di un protone (infatti, nessuno sa quanto siano piccoli quark), ma la parte superiore è pesante come un atomo d’oro!

Sebbene ci siano ragioni per credere che non ci siano più insiemi di quark e leptoni, i teorici ipotizzano che ci possano essere altri tipi di blocchi costitutivi, che potrebbero in parte spiegare la materia oscura implicita dalle osservazioni astrofisiche., Questa materia poco conosciuta esercita forze gravitazionali e manipola le galassie. Ci vorranno esperimenti di acceleratore a terra per identificare il suo tessuto.

I mattoni della natura (video, 6 min.)

Le forze

Gli scienziati distinguono quattro tipi elementari di forze che agiscono tra le particelle: forza forte, debole, elettromagnetica e gravitazionale.

• La forza forte è responsabile per quark “attaccare” insieme per formare protoni, neutroni e particelle correlate.,
• La forza elettromagnetica lega gli elettroni ai nuclei atomici (gruppi di protoni e neutroni) per formare atomi.
• La forza debole facilita il decadimento di particelle pesanti in fratelli più piccoli.
• La forza gravitazionale agisce tra oggetti massicci. Sebbene non svolga alcun ruolo a livello microscopico, è la forza dominante nella nostra vita quotidiana e in tutto l’universo.

Le particelle trasmettono forze tra loro scambiando particelle portatrici di forza chiamate bosoni., Questi mediatori di forza trasportano quantità discrete di energia, chiamate quanti, da una particella all’altra. Si potrebbe pensare al trasferimento di energia dovuto allo scambio di bosoni come qualcosa di simile al passaggio di un pallone da basket tra due giocatori.

Ogni forza ha i suoi bosoni caratteristici:

• Il gluone media la forza forte; “incolla” i quark insieme.
• Il fotone trasporta la forza elettromagnetica; trasmette anche la luce.
• I bosoni W e Z rappresentano la forza debole; introducono diversi tipi di decadimenti.,

I fisici si aspettano che la forza gravitazionale possa anche essere associata a una particella bosonica. Chiamato gravitone, questo ipotetico bosone è estremamente difficile da osservare poiché, a livello subatomico, la forza gravitazionale è di molti ordini di grandezza più debole delle altre tre forze elementari.

Tabella delle scoperte di particelle: chi, quando, dove?

Antimateria

Sebbene sia un punto fermo della fantascienza, l’antimateria è reale quanto la materia. Per ogni particella, i fisici hanno scoperto un’antiparticella corrispondente, che sembra e si comporta quasi allo stesso modo., Le antiparticelle, tuttavia, hanno le proprietà opposte delle loro particelle corrispondenti. Un antiprotone, ad esempio, ha una carica elettrica negativa mentre un protone è caricato positivamente.

Meno di 10 anni fa, i fisici del CERN (1995) e del Fermilab (1996) crearono i primi anti-atomi. Per saperne di più sulle proprietà del “Mondo specchio”, hanno aggiunto con cura un positrone (l’antiparticella di un elettrone) a un antiprotone. Il risultato: antiidrogeno.

Conservare l’antimateria è un compito difficile., Non appena un’antiparticella e una particella si incontrano, si annientano, scomparendo in un lampo di energia. Usando i campi di forza elettromagnetici, i fisici sono in grado di immagazzinare l’antimateria all’interno dei vasi sottovuoto per un periodo di tempo limitato.

Il modello standard

Il modello standard spiega la complessa interazione tra vettori di forza e elementi costitutivi.,

I fisici chiamano il quadro teorico che descrive le interazioni tra i blocchi elementari (quark e leptoni) e i portatori di forza (bosoni) il Modello Standard. La gravità non è ancora parte di questo quadro, e una questione centrale della fisica delle particelle del 21 ° secolo è la ricerca di una formulazione quantistica della gravità che potrebbe essere inclusa nel Modello Standard.

Anche se ancora chiamato un modello, il modello Standard è una teoria fisica fondamentale e ben collaudata., I fisici lo usano per spiegare e calcolare una grande varietà di interazioni di particelle e fenomeni quantistici. Esperimenti di alta precisione hanno ripetutamente verificato gli effetti sottili previsti dal modello Standard.

Finora, il più grande successo del modello Standard è l’unificazione delle forze elettromagnetiche e deboli nella cosiddetta forza elettrodebole. Theconsolidation è una pietra miliare paragonabile all’unificazione delle forze elettriche e magnetiche in una singola teoria elettromagnetica di JC Maxwell nel 19 ° secolo., I fisici pensano che sia possibile descrivere tutte le forze con una Grande Teoria unificata.

Un ingrediente essenziale del Modello Standard, tuttavia, sfugge ancora alla verifica sperimentale: il campo di Higgs. Interagisce con altre particelle per dare loro massa. Il campo di Higgs dà origine a un nuovo vettore di forza, chiamato bosone di Higgs, che non è stato osservato. Il mancato ritrovamento metterebbe in discussione il Modello Standard. Gli sperimentatori del Fermilab sperano di trovare prove per il bosone di Higgs e fare ulteriori scoperte nei prossimi anni.,

Presentazione sugli elementi costitutivi della natura

Tutto su neutrini, elettroni e luce.

Come trovare le particelle più piccole

La ricerca di Fermilab sulle particelle elementari