Il Modello Standard è una cosa bellissima. È la teoria più rigorosa della fisica delle particelle, incredibilmente precisa e accurata nelle sue previsioni. Stabilisce matematicamente i 17 elementi costitutivi della natura: sei quark, sei leptoni, quattro particelle portatrici di forza e il bosone di Higgs. Questi sono governati dalle forze elettromagnetiche, deboli e forti.
“Per quanto riguarda la domanda “Cosa siamo?”, il Modello Standard ha la risposta”, dice Saúl Ramos, un ricercatore dell’Università Nazionale Autonoma del Messico (UNAM). “Ci dice che ogni oggetto nell’universo non è indipendente e che ogni particella è lì per un motivo”.
Negli ultimi 50 anni questo sistema ha permesso agli scienziati di incorporare la fisica delle particelle in una singola equazione che spiega la maggior parte di ciò che possiamo vedere nel mondo intorno a noi.
Nonostante il suo grande potere predittivo, però, il Modello Standard non riesce a rispondere a cinque domande cruciali, ed è per questo che i fisici delle particelle sanno che il loro lavoro è tutt’altro che finito.
Perché i neutrini hanno massa?
Tre delle particelle del Modello Standard sono diversi tipi di neutrini. Il Modello Standard prevede che, come i fotoni, i neutrini non dovrebbero avere massa.
Tuttavia, gli scienziati hanno scoperto che i tre neutrini oscillano, o si trasformano l’uno nell’altro, mentre si muovono. Questa impresa è possibile solo perché i neutrini non sono del tutto privi di massa.
“Se usiamo le teorie che abbiamo oggi, otteniamo la risposta sbagliata”, dice André de Gouvêa, professore alla Northwestern University.
Il Modello Standard ha sbagliato i neutrini, ma resta da vedere quanto sbagliato. Dopo tutto, le masse che hanno i neutrini sono piuttosto piccole.
È tutto ciò che il Modello Standard ha mancato, o c’è altro che non sappiamo sui neutrini? Alcuni risultati sperimentali hanno suggerito, per esempio, che potrebbe esserci un quarto tipo di neutrino chiamato neutrino sterile che dobbiamo ancora scoprire.
Cos’è la materia oscura?
Gli scienziati hanno capito che gli mancava qualcosa quando hanno notato che le galassie giravano molto più velocemente di quanto dovrebbero essere, basandosi sull’attrazione gravitazionale della loro materia visibile. Giravano così velocemente che avrebbero dovuto lacerarsi. Qualcosa che non possiamo vedere, che gli scienziati hanno soprannominato “materia oscura”, deve dare ulteriore massa – e quindi attrazione gravitazionale – a queste galassie.
Si pensa che la materia oscura costituisca il 27% del contenuto dell’universo. Ma non è inclusa nel Modello Standard.
Gli scienziati stanno cercando modi per studiare questa misteriosa materia e identificare i suoi elementi costitutivi. Se gli scienziati potessero dimostrare che la materia oscura interagisce in qualche modo con la materia normale, “avremmo ancora bisogno di un nuovo modello, ma significherebbe che il nuovo modello e il Modello Standard sono collegati”, dice Andrea Albert, un ricercatore del Laboratorio Nazionale SLAC del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti che studia la materia oscura, tra le altre cose, presso l’Osservatorio Cherenkov ad alta quota in Messico. “Sarebbe un enorme cambiamento di gioco”.
Perché c’è così tanta materia nell’universo?
Ogni volta che nasce una particella di materia – per esempio, in una collisione di particelle nel Large Hadron Collider o nel decadimento di un’altra particella – normalmente la sua controparte di antimateria viene a fare un giro. Quando particelle di materia e antimateria uguali si incontrano, si annichilano a vicenda.
Gli scienziati suppongono che quando l’universo si è formato nel Big Bang, materia e antimateria avrebbero dovuto essere prodotte in parti uguali. Tuttavia, qualche meccanismo ha trattenuto la materia e l’antimateria dal loro solito schema di distruzione totale, e l’universo intorno a noi è dominato dalla materia.
Il Modello Standard non può spiegare lo squilibrio. Molti esperimenti diversi stanno studiando la materia e l’antimateria alla ricerca di indizi su cosa abbia fatto pendere la bilancia.
Perché l’espansione dell’universo sta accelerando?
Prima che gli scienziati fossero in grado di misurare l’espansione del nostro universo, immaginavano che fosse iniziata rapidamente dopo il Big Bang e poi, col tempo, avesse cominciato a rallentare. Quindi è stato uno shock scoprire che non solo l’espansione dell’universo non stava rallentando, ma stava addirittura accelerando.
Le ultime misurazioni del telescopio spaziale Hubble e dell’osservatorio Gaia dell’Agenzia Spaziale Europea indicano che le galassie si stanno allontanando da noi a 45 miglia al secondo. Questa velocità si moltiplica per ogni megaparsec in più, una distanza di 3,2 milioni di anni luce, rispetto alla nostra posizione.
Questa velocità si crede provenga da una proprietà inspiegabile dello spazio-tempo chiamata energia oscura, che sta spingendo l’universo a parte. Si pensa che costituisca circa il 68% dell’energia nell’universo. “Questo è qualcosa di molto fondamentale che nessuno avrebbe potuto prevedere solo guardando il Modello Standard”, dice de Gouvêa.
Esiste una particella associata alla forza di gravità?
Il Modello Standard non è stato progettato per spiegare la gravità. Questa quarta e più debole forza della natura non sembra avere alcun impatto sulle interazioni subatomiche che il Modello Standard spiega.
Ma i fisici teorici pensano che una particella subatomica chiamata gravitone potrebbe trasmettere la gravità nello stesso modo in cui particelle chiamate fotoni trasportano la forza elettromagnetica.
“Dopo che l’esistenza delle onde gravitazionali è stata confermata da LIGO, ora ci chiediamo: qual è la più piccola onda gravitazionale possibile? Questo è un po’ come chiedere cos’è un gravitone”, dice Alberto Güijosa, professore all’Istituto di Scienze Nucleari dell’UNAM.
Altro da esplorare
Questi cinque misteri sono le grandi domande della fisica del XXI secolo, dice Ramos. Eppure, ci sono enigmi ancora più fondamentali, dice: Qual è l’origine della geometria dello spazio-tempo? Dove prendono il loro spin le particelle? Perché la forza forte è così forte mentre la forza debole è così debole?
C’è ancora molto da esplorare, dice Güijosa. “Anche se finissimo con una teoria finale e perfetta di tutto nelle nostre mani, dovremmo ancora eseguire esperimenti in diverse situazioni per spingere i suoi limiti.”
“È un esempio molto classico del metodo scientifico in azione”, dice Albert. “Con ogni risposta arrivano altre domande; niente è mai finito.”