Il Modello Standard della fisica delle particelle è la migliore approssimazione della fisica a una teoria completa della realtà. Descrive dozzine di particelle e le interazioni tra di esse, che rientrano in tre categorie; la forza nucleare forte, la forza nucleare debole e l’elettromagnetismo. Le particelle si dividono in due classi: bosoni o ferimoni.
I fermioni includono il familiare protone e neutrone (entrambi composti da quark, neutrini e gluoni) e l’elettrone, che è fondamentale.
I bosoni mediano le interazioni tra i fermioni.
La principale differenza tra bosoni e fermioni è che i bosoni possono condividere lo stesso stato quantistico, mentre i fermioni no. Il modello standard viene utilizzato di routine per prevedere i risultati delle interazioni tra le particelle a molte cifre significative di accuratezza. Non è del tutto completo, ma è la migliore teoria in circolazione sin dal suo inizio tra il 1970 e il 1973.
I fermioni sono formati da 6 varietà di quark e 6 varietà di leptoni. Quasi tutta la materia che osserviamo intorno a noi è composta da 2 tipi di quark, il quark “up” e il quark “down”, e 1 varietà di leptoni, l’elettrone. Queste tre particelle sono sufficienti per formare tutti gli atomi della tavola periodica e le molecole che creano quando sono legate l’una all’altra. I restanti 4 quark e 5 leptoni sono versioni più massicce che altrimenti si comportano come i loro cugini meno massicci. Possono essere creati in esperimenti di fisica ad alta energia per periodi di frazioni di secondo. Ogni leptone ha un neutrino (particella che trasporta energia di massa estremamente bassa e alta velocità) che gli corrisponde. Tutte queste particelle hanno anche versioni di antimateria, che si comportano allo stesso modo, ma si annichilano al contatto con non-antimateria, convertendo la massa di entrambe le particelle in pura energia.
I bosoni sono disponibili in 4 varietà, che mediano le tre forze fondamentali menzionate in precedenza. Il bosone più familiare è il fotone, che media l’elettromagnetismo. Questo è responsabile di tutti i fenomeni che circondano l’elettricità, il magnetismo e la luce. Altri bosoni includono i bosoni W e Z, che mediano la forza nucleare debole; e gluoni, che mediano la forte forza nucleare che lega insieme i quark in particelle più grandi come neutroni e protoni. In questo modo il Modello Standard spiega o unisce 3 delle 4 forze fondamentali in natura; la forza eccezionale è la gravità.
Il bosone di Higgs è un bosone la cui esistenza è prevista dal Modello Standard ma non è stata ancora osservata. Sarebbe responsabile del meccanismo con cui tutte le particelle acquisiscono massa. Un altro ipotetico bosone è il gravitone, che media le interazioni gravitazionali.
La gravità non è inclusa nel Modello Standard perché mancano una descrizione teorica o indizi sperimentali dei bosoni che mediano le interazioni gravitazionali. Tuttavia, la moderna teoria delle stringhe ha introdotto interessanti possibilità per ulteriori esplorazioni sui possibili modi per esporre l’ipotetico gravitone. Se un giorno avrà successo, potrebbe rivelarsi sostituire il Modello Standard unendo tutte e 4 le forze fondamentali, diventando così l’inafferrabile “Teoria del Tutto”.