Fisica delle Particelle Elementari

La Fisica delle particelle Elementari è la branca della Fisica che si occupa dello studio dei costituenti della materia e delle loro interazioni. L’origine storica della disciplina può essere fatta risalire ai filosofi greci, ed in particolare a Democrito e la sua teoria atomica. In realtà solo con l’avvento del metodo scientifico lo studio delle particelle elementari assume la valenza di disciplina sperimentale. I primi pionieristici studi sono quelli di Rutherford finalizzato alla comprensione della struttura dell’atomo, con la conseguente scoperta dell’esistenza del nucleo atomico, e di Thomson con la scoperta dell’elettrone. Anni dopo arriveranno le scoperte dei nucleoni e dei raggi cosmici. A questo punto la Fisica delle Particelle Elementari si differenzia dalla Fisica Nucleare, con quest’ultima indirizzata soprattutto alla comprensione della struttura del nucleo atomico, mentre la prima si orienta allo studio dei mattoni ancora più piccoli e fondamentali.

Lo studio approfondito dei raggi cosmici e l’uso degli acceleratori permettono uno straordinario avanzamento delle conoscenze tra gli anni ’30 e gli anni ’50, con la scoperta di una moltitudine di particelle e la successiva classificazione di queste ultime grazie al modello a quark. Tra gli anni ’60 e ’70 viene sviluppato il cosiddetto “Modello Standard”, che si propone di descrivere le particelle note e le loro interazioni in un’unica architettura teorica.

Il trionfo del Modello Standard avviene con le scoperte sperimentali degli anni ’70, che confermano pienamente e talvolta in modo spettacolare le previsioni teoriche del Modello: l’osservazione delle “correnti neutre” con il rivelatore Gargamelle al CERN di Ginevra, la scoperta del quark beauty al Fermilab negli Stati Uniti, fino ad arrivare alla produzione in laboratorio delle particelle responsabili dell’interazione debole, le particelle W e Z, avvenuta nel 1983 al CERN di Ginevra ad opera di un gruppo di ricerca guidato dall’italiano Carlo Rubbia.

Negli anni ’90 la scoperta del quark top al Fermilab rappresenta una pietra miliare per la Fisica delle Particelle: i sei quark predetti dal Modello Standard sono così tutti osservati sperimentalmente. Contemporaneamente il grande anello di accumulazione per elettroni e positroni, il LEP al CERN di Ginevra, effettua moltissime misure di grande precisione, che risultano tutti in perfetto accordo con le predizioni teoriche.

Nonostante il grandissimo successo del Modello Standard, la Fisica delle Particelle non ha ancora esaurito gli argomenti di ricerca. Innanzitutto il Modello Standard prevede l’esistenza di una particella non ancora osservata, chiamata Bosone di Higgs. Inoltre, il Modello Standard non riesce a rispondere ad alcune delle domande fondamentali sulla natura: perché esistano tre famiglie di quark, perché la loro massa sia così diversa, perché in natura osserviamo molta più materia che antimateria. Altri aspetti della natura non ancora compresi non trovano spiegazione nell’ambito del Modello Standard: la materia oscura e l’energia oscura, che compongono la maggior parte dell’Universo, e l’unificazione della Gravità con le altre forze fondamentali, le interazioni elettromagnetica, debole e forte.

Per rispondere a questi quesiti i fisici teorici sviluppano delle nuove teorie che non contraddicono il Modello Standard, ma lo includono come caso particolare. Questi modelli, detti appunto Modelli oltre il Modello Standard,necessitano di un riscontro sperimentale. Il grande acceleratore LHC (Large Hadron Collider) al CERN di Ginevra potrà rispondere a questi quesiti e potrà forse verificare alcuni di questi modelli.

Il gruppo di Fisica delle Particelle del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Catania, che lavora in sinergia con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), partecipa agli esperimenti CMS e LHCf presso l’acceleratore LHC.

L’esperimento CMS è un grande rivelatore montato in corrispondenza di uno dei punti di incrocio dei fasci di protoni di LHC. Il suo scopo è osservare i prodotti delle collisioni protone-protone per tentare di capire i processi e le particelle prodotte nelle collisioni. Gli obiettivi principali sono la scoperta del bosone di Higgs e delle Supersimmetrie.

L’esperimento LHCf tenta di osservare i prodotti delle collisioni protone-protone simili ai prodotti delle collisioni dei raggi cosmici con l’atmosfera terrestre, al fine di comprendere i meccanismi di interazione e produzione dei raggi cosmici.