Storia: il Modello Standard

Il sapere attuale: il Modello Standard 1964 - 1998

Dalla metà degli anni '60, ai fisici è stato chiaro che la teoria tradizionale, secondo cui tutta la materia è composta da protoni, neutroni ed elettroni fondamentali, non era sufficiente a spiegare la miriade di nuove particelle osservate. Risolse il problema la teoria dei quark di Gell-Mann e Zweig. Negli ultimi trent'anni, la teoria si è arricchita e ha guadagnato crescente favore con nuove prove sperimentali ai moderni acceleratori di particelle. Oggi è nota col nome di Modello Standard delle particelle e interazioni fondamentali.

Particelle scoperte dal 1964:

1964 Murray Gell-Mann e George Zweig propongono, a titolo di prova, l'idea dei quark. Ipotizzano che i mesoni e i barioni siano composti da tre quark o antiquark, chiamati up, down, o strange (u, d, s) che hanno spin di 1/2 e carica elettrica rispettivamente di +2/3, -1/3, -1/3 (oggi sappiamo che le cose non stanno proprio così). Dal momento che cariche frazionarie non erano mai state osservate, i quark vengono considerati come una spiegazione matematica delle serie di sapore delle masse delle particelle, piuttosto che come reali oggetti fisici. Sviluppi ulteriori, teorici e sperimentali, permetteranno di considerare i quark come oggetti fisici, sebbene non possano essere isolati.

1964 Dal momento che i leptoni costituiscono una certa serie, vari contributi suggeriscono l'esistenza di un quarto quark, dotato di un altro sapore, per ottenere una serie simile (queste serie saranno riconosciute come generazioni della materia). Sheldon Glashow e James Bjorken chiamano "charm" il quarto quark (c). Queste idee al momento non hanno molta fortuna.

1965 O.W. Greenberg, M.Y. Han, e Yoichiro Nambu introducono la nuova proprietà della carica di colore per i quark. Tutti gli adroni osservati sono neutri di colore.

...1966... Il modello a quark viene accettato molto lentamente dato che i quark non vengono osservati sperimentalmente.

1967 Steven Weinberg e Abdus Salam proprongono separatamente una teoria che unifica le interazioni debole ed elettromagnetica nell'interazione elettrodebole. La loro teoria richiede l'esistenza di un bosone neutro, che interagisce debolmente (sarà poi chiamato il bosone Z⁰), al momento non ancora osservato. Inoltre predicono l'esistenza di un altro bosone massivo, il bosone di Higgs, che non sarà osservato neppure in seguito.

1968-69 All'acceleratore lineare di Stanford, in un esperimento elettroni/protoni, l'elettrone pare rimbalzare contro piccoli oggetti dentro al protone. James Bjorken e Richard Feynman analizzano questi dati con un modello che prevede particelle costituenti interne al protone: anche se non parlano di "quark", questo esperimento è la prova dell'esistenza dei quark.

1970 Sheldon Glashow, John Iliopoulos, e Luciano Maiani riconoscono l'importanza decisiva del quarto tipo di quark nel contesto del Modello Standard. Un quarto quark permette la teoria secondo cui il bosone che cambia sapore, Z⁰, media le interazioni deboli ma non quelle che cambiano il sapore.

1973 Donald Perkins, in base a una previsione del Modello Standard, rianalizza alcuni dati del CERN e trova indizi di interazioni deboli senza cambiamento di carica (dovute allo scambio di Z⁰).

1973 Viene formulata una teoria dell'interazione forte in termini di campo quantisitico. Questa teoria di quark e gluoni (che farà parte poi del Modello Standard) è simile nella struttura all'elettrodimanica quantistica (QED), ma si chiama cromodinamica quantistica (QCD) dal momento che l'interazione forte tratta i cambiamenti di colore. I quark sono considerati particelle reali, dotate di carica di colore. I gluoni, privi di massa, sono quanti del campo di interazione forte. Questa teoria dell'interazione forte è presentata da Harald Fritzsch e Murray Gell-Mann.

1973 David Politzer, David Gross, e Frank Wilczek scoprono che la teoria cromatica dell'interazione forte ha una proprietà caratteristica, la "libertà asintotica". Questa proprietà è necessaria per spiegare i dati del 1968-69 sulla struttura del protone.

1974 In un intervento a una conferenza, John Iliopoulos presenta, per la prima volta in un'elaborazione unitaria, la concezione che sarà nota come Modello Standard. Se vuoi conoscere i vari aspetti del Modello Standard, puoi viaggiare Attraverso il Modello Standard.

1974 (Nov.) Burton Richter e Samuel Ting, dopo esperimenti tra loro indipendenti, annunciano lo stesso giorno di aver scoperto una nuova particella. Ting e i suoi collaboratori di Brookhaven la chiamano "J", mentre Richter e i suoi collaboratori di SLAC, la chiamano "psi", ma è la stessa particella. Dal momento che alle due scoperte viene attribuita uguale importanza, la particelle sarà nota come J/psi. La J/psi è un mesone composto di un quark charm e un anti-charm.

1976 Gerson Goldhaber e Francois Pierre trovano il mesone D0 (composto di un quark charm e un anti-up). Le previsioni teoriche sono platealmente confermate dal risultato sperimentale: è una grossa conferma della bontà del Modello Standard.

1976 Il leptone tau viene scoperto da Martin Perl e i suoi collaboratori a SLAC. Dal momento che questo leptone è la prima particella osservata della terza generazione, è un'enorme sorpresa.

1977 Leon Lederman e i suoi collaboratori scoprono a Fermilab un nuovo quark (e il suo antiquark). Viene chiamato "bottom". Dato che i fisici suppongono che i quark esistono in coppie, questa scoperta spinge alla ricerca del sesto quark, il "top."

1978 Charles Prescott e Richard Taylor osservano un'interazione debole mediata da Z⁰ in una diffusione da deuterio di elettroni polarizzati, che mostra una violazione della conservazione della parità, confermando le previsioni del Modello Standard.

1979 Una prova sostanziale della produzione di un gluone, irraggiato da un quark o antiquark, è raccolta a PETRA, acceleratore a fasci collidenti del laboratorio DESY, presso Amburgo.

1983 I bosoni intermedi W^± e Z⁰ richiesti dalla teoria elettrodebole vengono osservati in due esperimenti al sincrotrone del CERN usando una tecnica elaborata da Carlo Rubbia e Simon Van der Meer per far collidere protoni e antiprotoni.

1989 Esperimenti condotti a SLAC e al CERN avvalorano l'ipotesi che esistano tre e solo tre generazioni di particelle fondamentali. Questo è necessario perché la vita del bosone Z⁰ sembra essere compatibile solo con l'esistenza di precisamente tre neutrini molto leggeri (o privi di massa).

1995 Dopo diciotto anni di ricerche presso molti acceleratori, gli esperimenti CDF e D0 a Fermilab scoprono il quark top, che ha l'inattesa massa di 175 GeV. Non si riesce a spiegare perché abbia una massa così diversa da quella degli altri cinque quark.
1998 Dopo anni di ricerche in laboratori sotterranei, gli esperimenti Superkamiokande in Giappone e Macro in Italia permettono di stabilire che almeno due sapori di neutrini hanno massa non nulla.

1964	Murray Gell-Mann e George Zweig propongono, a titolo di prova, l'idea dei quark. Ipotizzano che i mesoni e i barioni siano composti da tre quark o antiquark, chiamati up, down, o strange (u, d, s) che hanno spin di 1/2 e carica elettrica rispettivamente di +2/3, -1/3, -1/3 (oggi sappiamo che le cose non stanno proprio così). Dal momento che cariche frazionarie non erano mai state osservate, i quark vengono considerati come una spiegazione matematica delle serie di sapore delle masse delle particelle, piuttosto che come reali oggetti fisici. Sviluppi ulteriori, teorici e sperimentali, permetteranno di considerare i quark come oggetti fisici, sebbene non possano essere isolati.
1964	Dal momento che i leptoni costituiscono una certa serie, vari contributi suggeriscono l'esistenza di un quarto quark, dotato di un altro sapore, per ottenere una serie simile (queste serie saranno riconosciute come generazioni della materia). Sheldon Glashow e James Bjorken chiamano "charm" il quarto quark (c). Queste idee al momento non hanno molta fortuna.
1965	O.W. Greenberg, M.Y. Han, e Yoichiro Nambu introducono la nuova proprietà della carica di colore per i quark. Tutti gli adroni osservati sono neutri di colore.
...1966...	Il modello a quark viene accettato molto lentamente dato che i quark non vengono osservati sperimentalmente.
1967	Steven Weinberg e Abdus Salam proprongono separatamente una teoria che unifica le interazioni debole ed elettromagnetica nell'interazione elettrodebole. La loro teoria richiede l'esistenza di un bosone neutro, che interagisce debolmente (sarà poi chiamato il bosone Z⁰), al momento non ancora osservato. Inoltre predicono l'esistenza di un altro bosone massivo, il bosone di Higgs, che non sarà osservato neppure in seguito.
1968-69	All'acceleratore lineare di Stanford, in un esperimento elettroni/protoni, l'elettrone pare rimbalzare contro piccoli oggetti dentro al protone. James Bjorken e Richard Feynman analizzano questi dati con un modello che prevede particelle costituenti interne al protone: anche se non parlano di "quark", questo esperimento è la prova dell'esistenza dei quark.
1970	Sheldon Glashow, John Iliopoulos, e Luciano Maiani riconoscono l'importanza decisiva del quarto tipo di quark nel contesto del Modello Standard. Un quarto quark permette la teoria secondo cui il bosone che cambia sapore, Z⁰, media le interazioni deboli ma non quelle che cambiano il sapore.
1973	Donald Perkins, in base a una previsione del Modello Standard, rianalizza alcuni dati del CERN e trova indizi di interazioni deboli senza cambiamento di carica (dovute allo scambio di Z⁰).
1973	Viene formulata una teoria dell'interazione forte in termini di campo quantisitico. Questa teoria di quark e gluoni (che farà parte poi del Modello Standard) è simile nella struttura all'elettrodimanica quantistica (QED), ma si chiama cromodinamica quantistica (QCD) dal momento che l'interazione forte tratta i cambiamenti di colore. I quark sono considerati particelle reali, dotate di carica di colore. I gluoni, privi di massa, sono quanti del campo di interazione forte. Questa teoria dell'interazione forte è presentata da Harald Fritzsch e Murray Gell-Mann.
1973	David Politzer, David Gross, e Frank Wilczek scoprono che la teoria cromatica dell'interazione forte ha una proprietà caratteristica, la "libertà asintotica". Questa proprietà è necessaria per spiegare i dati del 1968-69 sulla struttura del protone.
1974	In un intervento a una conferenza, John Iliopoulos presenta, per la prima volta in un'elaborazione unitaria, la concezione che sarà nota come Modello Standard. Se vuoi conoscere i vari aspetti del Modello Standard, puoi viaggiare Attraverso il Modello Standard.
1974 (Nov.)	Burton Richter e Samuel Ting, dopo esperimenti tra loro indipendenti, annunciano lo stesso giorno di aver scoperto una nuova particella. Ting e i suoi collaboratori di Brookhaven la chiamano "J", mentre Richter e i suoi collaboratori di SLAC, la chiamano "psi", ma è la stessa particella. Dal momento che alle due scoperte viene attribuita uguale importanza, la particelle sarà nota come J/psi. La J/psi è un mesone composto di un quark charm e un anti-charm.
1976	Gerson Goldhaber e Francois Pierre trovano il mesone D0 (composto di un quark charm e un anti-up). Le previsioni teoriche sono platealmente confermate dal risultato sperimentale: è una grossa conferma della bontà del Modello Standard.
1976	Il leptone tau viene scoperto da Martin Perl e i suoi collaboratori a SLAC. Dal momento che questo leptone è la prima particella osservata della terza generazione, è un'enorme sorpresa.
1977	Leon Lederman e i suoi collaboratori scoprono a Fermilab un nuovo quark (e il suo antiquark). Viene chiamato "bottom". Dato che i fisici suppongono che i quark esistono in coppie, questa scoperta spinge alla ricerca del sesto quark, il "top."
1978	Charles Prescott e Richard Taylor osservano un'interazione debole mediata da Z⁰ in una diffusione da deuterio di elettroni polarizzati, che mostra una violazione della conservazione della parità, confermando le previsioni del Modello Standard.
1979	Una prova sostanziale della produzione di un gluone, irraggiato da un quark o antiquark, è raccolta a PETRA, acceleratore a fasci collidenti del laboratorio DESY, presso Amburgo.
1983	I bosoni intermedi W^± e Z⁰ richiesti dalla teoria elettrodebole vengono osservati in due esperimenti al sincrotrone del CERN usando una tecnica elaborata da Carlo Rubbia e Simon Van der Meer per far collidere protoni e antiprotoni.
1989	Esperimenti condotti a SLAC e al CERN avvalorano l'ipotesi che esistano tre e solo tre generazioni di particelle fondamentali. Questo è necessario perché la vita del bosone Z⁰ sembra essere compatibile solo con l'esistenza di precisamente tre neutrini molto leggeri (o privi di massa).
1995	Dopo diciotto anni di ricerche presso molti acceleratori, gli esperimenti CDF e D0 a Fermilab scoprono il quark top, che ha l'inattesa massa di 175 GeV. Non si riesce a spiegare perché abbia una massa così diversa da quella degli altri cinque quark.
1998	Dopo anni di ricerche in laboratori sotterranei, gli esperimenti Superkamiokande in Giappone e Macro in Italia permettono di stabilire che almeno due sapori di neutrini hanno massa non nulla.