Di cosa siamo fatti alla fine? Quali sono i mattoni fondamentali dell'universo?

Gli antichi credevano che fossimo composti da quattro "elementi": acqua, terra, fuoco e aria; che ora sappiamo non essere elementi. Attualmente, esistono circa 118 elementi. Tutti gli elementi sono costituiti da atomi, che un tempo si pensava fossero indivisibili. All'inizio del XX secolo, in seguito alle scoperte di J.J. Thomson e Rutherford, si seppe che gli atomi sono costituiti da nuclei (composti da protoni e neutroni) al centro e da elettroni in orbita attorno ad essi. Negli anni '1970, si scoprì che anche protoni e neutroni non erano elementi fondamentali, ma erano composti da "quark up" e "quark down", rendendo così elettroni, "quark up" e "quark down" i tre costituenti fondamentali di tutto ciò che esiste nell'universo . Con gli sviluppi rivoluzionari della fisica quantistica, abbiamo appreso che le particelle sono in realtà derivate, ovvero pacchetti di energia nei campi, il che implica che le particelle non sono elementi fondamentali. Ciò che è fondamentale è il campo che ne è alla base. Possiamo ora affermare che i campi quantistici sono i mattoni fondamentali di tutto ciò che esiste nell'universo (compresi i sistemi biologici avanzati come noi). Siamo tutti costituiti da campi quantistici. Le proprietà delle particelle, come la carica elettrica e la massa, descrivono come i loro campi interagiscono con altri campi. Ad esempio, la proprietà che chiamiamo carica elettrica di un elettrone descrive come il campo dell'elettrone interagisce con il campo elettromagnetico. E la proprietà della sua massa descrive come interagisce con il campo di Higgs.

Fin dall'antichità, l'uomo si è interrogato su cosa sia fatto: di cosa è composto l' universo ? Quali sono i mattoni fondamentali della natura? E quali sono le leggi basilari che governano ogni cosa nell'universo ? Il modello standard della scienza è la teoria che risponde a queste domande. Si dice che questa sia la teoria scientifica di maggior successo mai elaborata negli ultimi secoli, un'unica teoria in grado di spiegare la maggior parte dei fenomeni dell'universo.

Si seppe fin da subito che siamo composti da elementi. Ogni elemento, a sua volta, è composto da atomi. Inizialmente si pensava che gli atomi fossero indivisibili. Tuttavia, nel 1897 J.J. Thompson scoprì gli elettroni utilizzando una scarica elettrica attraverso un tubo a raggi catodici. Poco dopo, nel 1908, il suo successore Rutherford dimostrò, con il suo famoso esperimento della lamina d'oro, che un atomo possiede un minuscolo nucleo carico positivamente al centro, attorno al quale orbitano elettroni carichi negativamente . Successivamente, si scoprì che i nuclei sono composti da protoni e neutroni.

Negli anni '1970, si scoprì che neutroni e protoni non sono indivisibili e quindi non sono particelle fondamentali, ma che ogni protone e neutrone è composto da tre particelle più piccole chiamate quark, di due tipi: "quark up" e "quark down" ("quark up" e "quark down" sono semplicemente quark diversi. I termini "up" e "down" non implicano alcuna relazione con la direzione o il tempo). I protoni sono composti da due "quark up" e un "quark down", mentre i neutroni sono composti da due "quark down" e un "quark up". Pertanto, "elettroni", "quark up" e "quark down" sono le tre particelle fondamentali che costituiscono tutto ciò che esiste nell'universo . Tuttavia, con i progressi scientifici, anche questa comprensione ha subito dei cambiamenti. Si è scoperto che i campi sono le particelle fondamentali, non le particelle stesse.

Le particelle non sono fondamentali. Ciò che è fondamentale è il campo che le sottende. Siamo tutti costituiti da campi quantistici.

Secondo le attuali conoscenze scientifiche, tutto nell'universo è costituito da entità astratte invisibili chiamate "campi", che rappresentano i mattoni fondamentali della natura. Un campo è qualcosa che si estende nell'universo e assume un valore specifico in ogni punto dello spazio, valore che può variare nel tempo. È come un'onda di fluido che si propaga nell'universo ; ad esempio, i campi magnetici ed elettrici sono diffusi in tutto l' universo . Sebbene non possiamo vedere i campi elettrici o magnetici, essi sono reali e fisici, come dimostra la forza che percepiamo quando avviciniamo due magneti. Secondo la meccanica quantistica, i campi sono considerati continui, a differenza dell'energia che è sempre suddivisa in blocchi discreti.

La teoria quantistica dei campi è l'idea di combinare la meccanica quantistica con i campi. Secondo questa teoria, il fluido di elettroni (ovvero le increspature delle onde di questo fluido) si raggruppa in piccoli pacchetti di energia. Questi pacchetti di energia sono ciò che chiamiamo elettroni. Pertanto, gli elettroni non sono fondamentali. Sono onde dello stesso campo sottostante. Allo stesso modo, le increspature dei due campi di quark danno origine ai "quark up" e ai "quark down". E lo stesso vale per ogni altra particella nell'universo . I campi sono alla base di tutto. Ciò che consideriamo particelle sono in realtà onde dei campi raggruppate in piccoli pacchetti di energia. I mattoni fondamentali del nostro universo sono queste sostanze fluide che chiamiamo campi. Le particelle sono semplicemente derivate di questi campi. Nel vuoto assoluto, quando le particelle vengono completamente rimosse, i campi continuano ad esistere.

I tre campi quantistici più fondamentali in natura sono l'elettrone, il quark up e il quark down. Ne esiste un quarto, chiamato neutrino, che tuttavia non costituisce noi, ma svolge un ruolo importante altrove nell'universo . I neutrini sono ovunque, attraversano ogni cosa ovunque senza interagire.

Campi di materia : I quattro campi quantistici fondamentali e le particelle ad essi associate (ovvero "elettrone", "quark up", "quark down" e "neutrino") costituiscono il fondamento dell'universo . Per ragioni sconosciute, queste quattro particelle fondamentali si riproducono due volte. Gli elettroni riproducono il "muone" e il "tau" (che sono rispettivamente 200 e 3000 volte più pesanti degli elettroni); i quark up danno origine allo "strange quark" e al "bottom quark"; i quark down danno origine al "charm quark" e al "top quark"; mentre i neutrini danno origine al "neutrino muonico" e al "neutrino tau".

Pertanto, esistono 12 campi che danno origine alle particelle, che chiamiamo campi di materia.

Di seguito è riportato l'elenco dei 12 campi di materia che compongono le 12 particelle dell'universo.

Campi di forza : I 12 campi di materia interagiscono tra loro attraverso quattro forze diverse: gravità , elettromagnetismo , forze nucleari forti (che operano solo su piccola scala nel nucleo e tengono uniti i quark all'interno di protoni e neutroni) e forze nucleari deboli (che operano solo su piccola scala nel nucleo, sono responsabili del decadimento radioattivo e innescano la fusione nucleare). Ciascuna di queste forze è associata a un campo: la forza elettromagnetica è associata al campo dei gluoni , i campi associati alle forze nucleari forti e deboli sono il campo del bosone W e il campo del bosone Z , e il campo associato alla gravità è lo spaziotempo stesso.

Di seguito è riportato l'elenco dei quattro campi di forza associati a quattro forze.    

L' universo è pervaso da questi 16 campi (12 campi di materia più 4 campi associati a quattro forze). Questi campi interagiscono tra loro in modo armonioso. Ad esempio, quando il campo elettronico (uno dei campi di materia) inizia a oscillare (perché lì c'è un elettrone), questo innesca uno degli altri campi, diciamo il campo elettromagnetico, che a sua volta oscillerà e si incresperà. Verrà emessa luce che quindi oscillerà leggermente. A un certo punto, inizierà a interagire con il campo dei quark, che a sua volta oscillerà e si incresperà. L'immagine finale che otteniamo è una danza armoniosa tra tutti questi campi, che si intrecciano tra loro.

Campo di Higgs

Negli anni '60, Peter Higgs predisse l'esistenza di un altro campo. Negli anni '70, questo divenne parte integrante della nostra comprensione dell'universo . Tuttavia, non vi era alcuna prova sperimentale (ovvero, se si provocasse una propagazione del campo di Higgs, si dovrebbe osservare la particella associata) fino al 2012, quando i ricercatori del CERN presso l'LHC ne annunciarono la scoperta. La particella si comportò esattamente come previsto dal modello. La particella di Higgs ha una vita molto breve, di circa 10⁻²² ^secondi.

Questo fu l'ultimo elemento costitutivo dell'universo . Questa scoperta fu importante perché questo campo è responsabile di ciò che chiamiamo massa nell'universo.

Le proprietà delle particelle (come la carica elettrica e la massa) sono affermazioni su come i loro campi interagiscono con altri campi.  

È l'interazione dei campi presenti nell'universo a dare origine a proprietà come massa, carica ecc. delle diverse particelle che percepiamo. Ad esempio, la proprietà che chiamiamo carica elettrica di un elettrone descrive come il campo dell'elettrone interagisce con il campo elettromagnetico. Analogamente, la proprietà della sua massa descrive come interagisce con il campo di Higgs.

La comprensione del campo di Higgs era fondamentale per comprendere il significato della massa nell'universo . La scoperta del campo di Higgs ha inoltre confermato il Modello Standard, in vigore fin dagli anni '1970.

I campi quantistici e la fisica delle particelle sono campi di studio dinamici. Dalla scoperta del campo di Higgs, si sono verificati diversi sviluppi che hanno attinenza con il modello Standard. La ricerca di risposte ai limiti del modello Standard continua.

Modello standard delle particelle elementari: i 12 fermioni fondamentali e i 5 bosoni fondamentali.

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Fonti:  

Royal Institution 2017. Campi quantistici: i veri elementi costitutivi dell'universo – con David Tong. Disponibile online all'indirizzo https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg

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PARTICELLE FONDAMENTALI – Uno sguardo veloce  

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