Il Modello Standard della fisica delle particelle contiene 12 gusti di fermioni elementari, e per i loro corrispondenti antiparticelle, nonché elementare bosoni che mediano le forze e il bosone di Higgs, che è stato segnalato il 4 luglio 2012, come probabile rilevato dai due principali esperimenti al Large Hadron Collider (ATLAS e CMS).(pp1–3) Tuttavia, il Modello Standard è ampiamente considerato una teoria provvisoria piuttosto che una teoria veramente fondamentale, poiché non è noto se sia compatibile con la relatività generale di Einstein. Ci possono essere ipotetiche particelle elementari non descritte dal Modello Standard, come il gravitone, la particella che porterebbe la forza gravitazionale, e sparticoli, partner supersimmetrici delle particelle ordinarie.

Fermioni fondamentalimodifica

I 12 fermioni fondamentali sono divisi in 3 generazioni di 4 particelle ciascuno. La metà dei fermioni sono leptoni, tre dei quali hanno una carica elettrica -1, chiamato elettrone (
e−
), il muone (
µ−
), e il tau (
t−
); gli altri tre leptoni sono i neutrini (
ν
e,
n
µ,
n
τ), che sono l’unico elementari fermioni con nessuno elettrico, né colore. Le restanti sei particelle sono quark (discussi di seguito).

GenerationsEdit

MassEdit

The following table lists masse misurate in corrente e stime di massa per tutti i fermioni, utilizzando la stessa scala di misura: milioni di elettron-volt rispetto al quadrato della velocità della luce (MeV/c2). Ad esempio, la massa di quark più accuratamente conosciuta è del quark superiore (
t
) a 172,7 GeV/c2 o 172 700 MeV/c2, stimata utilizzando lo schema On-shell.

Estimates of the values of quark masses depend on the version of quantum chromodynamics used per descrivere le interazioni di quark. I quark sono sempre confinati in un involucro di gluoni che conferiscono una massa notevolmente maggiore ai mesoni e ai barioni in cui si verificano i quark, quindi i valori per le masse di quark non possono essere misurati direttamente. Poiché le loro masse sono così piccole rispetto alla massa effettiva dei gluoni circostanti, lievi differenze nel calcolo fanno grandi differenze nelle masse.

Antiparticolimodifica

Ci sono anche 12 antiparticelle fermioniche fondamentali che corrispondono a queste 12 particelle. Ad esempio, l’antielettrone (positrone)
e+
è l’antiparticella dell’elettrone e ha una carica elettrica di +1.

QuarksEdit

Quark isolati e antiquark non sono mai stati rilevati, un fatto spiegato dal confinamento. Ogni quark porta una delle tre cariche di colore della forte interazione; antiquark allo stesso modo portano anticolor. Le particelle cariche di colore interagiscono tramite scambio di gluoni nello stesso modo in cui le particelle cariche interagiscono tramite scambio di fotoni. Tuttavia, i gluoni sono essi stessi a carica di colore, con conseguente amplificazione della forza forte quando le particelle cariche di colore sono separate. A differenza della forza elettromagnetica, che diminuisce quando le particelle cariche si separano, le particelle cariche di colore sentono una forza crescente.

Tuttavia, le particelle cariche di colore possono combinarsi per formare particelle composite neutre di colore chiamate adroni. Un quark può accoppiarsi con un antiquark: il quark ha un colore e l’antiquark ha l’anticolor corrispondente. Il colore e l’anticolor si annullano, formando un mesone neutro di colore. In alternativa, tre quark possono esistere insieme, un quark è “rosso”, un altro “blu”, un altro “verde”. Questi tre quark colorati insieme formano un barione di colore neutro. Simmetricamente, tre antiquark con i colori “antired”, “antiblue” e “antigreen” possono formare un antibaryon neutro per il colore.

I quark trasportano anche cariche elettriche frazionarie, ma, poiché sono confinati all’interno di adroni le cui cariche sono tutte integrali, le cariche frazionarie non sono mai state isolate. Si noti che i quark hanno cariche elettriche di +2 3 3 o -1 3 3, mentre gli antiquark hanno cariche elettriche corrispondenti di -2 corresponding 3 o +1 3 3.

La prova dell’esistenza dei quark deriva dallo scattering anelastico profondo: sparare elettroni ai nuclei per determinare la distribuzione della carica all’interno dei nucleoni (che sono barioni). Se la carica è uniforme, il campo elettrico attorno al protone dovrebbe essere uniforme e l’elettrone dovrebbe disperdersi elasticamente. Gli elettroni a bassa energia si disperdono in questo modo, ma, al di sopra di una particolare energia, i protoni deviano alcuni elettroni attraverso grandi angoli. L’elettrone recoiling ha molta meno energia e viene emesso un getto di particelle. Questa dispersione anelastica suggerisce che la carica nel protone non è uniforme ma divisa tra particelle cariche più piccole: quark.

Bosoni fondamentalimodifica

Nel Modello Standard, i bosoni vettoriali (spin-1) (gluoni, fotoni e i bosoni W e Z) mediano le forze, mentre il bosone di Higgs (spin-0) è responsabile della massa intrinseca delle particelle. I bosoni differiscono dai fermioni nel fatto che più bosoni possono occupare lo stesso stato quantico (principio di esclusione di Pauli). Inoltre, i bosoni possono essere elementari, come i fotoni, o una combinazione, come i mesoni. Lo spin dei bosoni sono interi invece di semi interi.

GluonsEdit

I gluoni mediano l’interazione forte, che si uniscono ai quark e quindi formano adroni, che sono barioni (tre quark) o mesoni (un quark e un antiquark). Protoni e neutroni sono barioni, uniti da gluoni per formare il nucleo atomico. Come i quark, i gluoni mostrano colore e anticolor-non correlati al concetto di colore visivo e piuttosto alle forti interazioni delle particelle – a volte in combinazioni, complessivamente otto variazioni di gluoni.

Bosoni elettrodebolimodifica

Ci sono tre bosoni di calibro debole: W+, W-e Z0; questi mediano l’interazione debole. I bosoni W sono noti per la loro mediazione nel decadimento nucleare: il W− converte un neutrone in un protone quindi decade in una coppia elettrone ed elettrone-antineutrino.Lo Z0 non converte il sapore o le cariche delle particelle, ma piuttosto cambia lo slancio; è l’unico meccanismo per disperdere elasticamente i neutrini. I bosoni di calibro debole sono stati scoperti a causa del cambiamento di quantità di moto negli elettroni dallo scambio neutrino-Z. Il fotone senza massa media l’interazione elettromagnetica. Questi quattro bosoni gauge formano l’interazione elettrodebole tra particelle elementari.

Bosone di higgsEdit

Sebbene le forze deboli ed elettromagnetiche appaiano molto diverse a noi alle energie quotidiane, le due forze sono teorizzate per unificarsi come una singola forza elettrodebole alle alte energie. Questa previsione è stata chiaramente confermata dalle misurazioni delle sezioni trasversali per lo scattering elettrone-protone ad alta energia presso il collisore HERA a DESY. Le differenze a basse energie sono una conseguenza delle masse elevate dei bosoni W e Z, che a loro volta sono una conseguenza del meccanismo di Higgs. Attraverso il processo di rottura spontanea della simmetria, Higgs seleziona una direzione speciale nello spazio elettrodebole che fa sì che tre particelle elettrodebole diventino molto pesanti (i bosoni deboli) e una rimanga con una massa a riposo indefinita mentre è sempre in movimento (il fotone). Il 4 luglio 2012, dopo molti anni di ricerca sperimentale di prove della sua esistenza, è stato annunciato che il bosone di Higgs è stato osservato al Large Hadron Collider del CERN. Peter Higgs che per primo ha ipotizzato l’esistenza del bosone di Higgs era presente all’annuncio. Si ritiene che il bosone di Higgs abbia una massa di circa 125 GeV. La significatività statistica di questa scoperta è stata riportata come 5 sigma, il che implica una certezza di circa il 99,99994%. Nella fisica delle particelle, questo è il livello di significato richiesto per etichettare ufficialmente le osservazioni sperimentali come una scoperta. La ricerca sulle proprietà della particella appena scoperta continua.

GravitonEdit

Il gravitone è un’ipotetica particella elementare spin-2 proposta per mediare la gravitazione. Mentre rimane da scoprire a causa della difficoltà insita nel suo rilevamento, a volte è incluso nelle tabelle di particelle elementari.(pp1–3) Il gravitone convenzionale è senza massa, sebbene esistano modelli contenenti gravitoni massicci di Kaluza–Klein.