Modello Standard e Forze Fondamentali : occhio al rinculo !

A partire dagli anni ottanta del XX secolo molti fisici teorici si sono concentrati sulla definizione di una teoria quantistica che conciliasse la meccanica quantistica e la relatività generale e spiegasse in maniera chiara l'esistenza delle quattro famiglie di particelle, dei bosoni intermedi e della gravità.
Nel modello standard ci sono tre tipi di bosoni : i fotoni, i gluoni e i cosiddetti "bosoni deboli", cioè i bosoni W e Z (anche detti più precisamente "bosoni vettori intermedi W e Z"). Questi tre tipi di bosoni sono i responsabili rispettivamente della forza elettromagnetica, della forza nucleare forte e della forza nucleare debole. I fotoni sono bosoni di Gauge delle interazioni elettromagnetiche (forza elettromagnetica), i gluoni sono i bosoni delle interazioni forti (forza forte), e i bosoni W e Z sono i bosoni delle interazioni deboli (forza debole). In fisica delle particelle i bosoni di Gauge sono particelle elementari che hanno il compito di trasportare le forze fondamentali della natura.
In particolare, le particelle elementari, le cui interazioni sono descritte dalla teoria di Gauge, esercitano forze su ogni altra particella mediante lo scambio di bosoni di Gauge.
La teoria della relatività generale di Albert Einstein descrive il campo gravitazionale in termini geometrici (cioè usando la nozione di curvatura dello spaziotempo). Tuttavia, essa non ci dice nulla riguardo alle particelle mediatrici della forza gravitazionale, i cosiddetti gravitoni.
La gravità quantistica è quel campo della fisica teorica che tenta di unificare la teoria dei campi (meccanica quantistica relativistica), che descrive tre delle forze fondamentali della natura (elettromagnetica, debole e forte), con la teoria della relatività generale, riguardante la quarta interazione fondamentale, ossia la gravità Ad un livello teorico semplice tutti i bosoni di Gauge devono essere privi di massa e le forze che essi descrivono devono essere a lungo raggio. La contraddizione tra questa teoria e l'evidenza sperimentale riguardante il corto raggio delle interazioni deboli richiedono ulteriori approfondimenti teorici ed al momento attuale una giustificazione di tutto ciò arriva dal meccanismo di Higgs. Questo processo conduce a bosoni di Gauge massivi a partire da particelle inizialmente senza massa.
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Lo scopo ultimo di alcune teorie in questo campo (ad esempio la teoria delle stringhe), è anche quello di ottenere una struttura unica per tutte e quattro le forze fondamentali e quindi di realizzare una teoria del tutto.

Ma una teoria che faccia scaturire le forze fondamentali dallo scambio tra particelle elementari di bosoni massivi, seppur corretta formalmente dal punto di vista matematico, è di per se incoerente dal punto di vista fisico in quanto viola palesemente il principio di conservazione della quantità di moto che anche a scale quantistiche, è una legge fisica sperimentalmente evidente.

Ad esempio, la spettroscopia Mössbauer è una tecnica spettroscopica basata sull'assorbimento ed emissione risonante di raggi gamma nei solidi. Con i raggi gamma, a differenza degli altri fotoni meno energetici, si verifica solitamente un problema: l'atomo che emette il fotone 'rincula' in maniera non trascurabile, assorbendo così una fetta di energia dal fotone stesso il quale, di conseguenza, non ha più la stessa frequenza di prima e non è in grado di effettuare risonanza con un altro atomo analogo. Come prima soluzione a questo problema si era ottenuta la risonanza disponendo la sostanza emettitrice sopra un cilindro ruotante ad alta velocità, così da compensare il suddetto rinculo. Ma successivamente l'assorbimento ed emissione risonante furono osservati per la prima volta da Rudolf Mössbauer nel 1957 su materiali che avevano una struttura cristallina tale da distribuire il rinculo stesso su molti più atomi riducendo così la perdita di energia del fotone gamma: tale fenomeno è stato chiamato appunto effetto Mössbauer.

Quanto sopra a ribadire il concetto che, fino a prova contraria, la legge di conservazione della quantità di moto resta valida ed operante anche tra le particelle elementari del Modello Standard.

Struttura del protone : Forza nucleare forte.
Ogni quark possiede una carica di colore che cambia continuamente trasferendo gluoni ad altri quark. Tale condivisione di gluoni genera un campo attrattivo che si oppone alle forze elettrodinamiche repulsive.



Resta allora da capire come possa essere stabile una struttura del genere, ovvero come possano svilupparsi forze attrattive tra particelle elementari che si scambiano particelle massive (i gluoni in questo caso).

È la massa delle particelle mediatrici, infatti, a determinare il raggio d'azione dell'interazione, rispetto al quale è in rapporto di proporzionalità inversa (vedi teoria di Yukawa ), raggio di azione che, nel caso dell'interazione nucleare forte è estremamente breve. Quindi se la massa a riposo dei gluoni fosse nulla, come nel caso del fotone e del gravitone (che ricordiamo essere le particelle mediatrici rispettivamente della forza elettromagnetica e della gravitazione), il raggio di azione della forza sarebbe infinito.

Il “confinamento” dei quark è, allora, fisicamente possibile solo ipotizzando che questi ultimi siano “delocalizzati” come onde di materia, sostituendo all’interazione tramite mediatori quantistici quella di un campo a sua volta costituito da onde di materia, nei quali i quark sono "immersi" e che agisce anche dall'esterno.

Questo è il motivo per cui l’ideatore della MT, Marius, ritiene che soltanto sostituendo un modello ondulatorio a quello particellare della materia proposto dal Modello Standard. si possano spiegare le forze attrattive (tra cui, ovviamente, anche la forza di gravità) oltre che quelle repulsive.

Stefano Gusman