Modello standard delle particelle elementari o, più semplicemente, modello standard, è il nome che si dà alla teoria fisica che classifica le particelle ad oggi conosciute e che descrive le interazioni fondamentali – esclusa la forza gravitazionale – che intercorrono tra queste (vd. infografica a).

Le particelle descritte dal modello standard sono considerate “elementari”, ovvero particelle che, per quanto ne sappiamo oggi, non sono composte a loro volta di altre particelle. Non rientrano, dunque, tra queste, particelle come i neutroni o i protoni che sono composti di quark e gluoni. Quark e gluoni, al contrario, sono considerati particelle elementari.

La prima grande distinzione che il modello propone è quella tra fermioni e bosoni. I primi sono i costituenti della materia mentre i secondi sono responsabili delle interazioni tra particelle. Un discorso a parte va fatto per il bosone di Higgs.

I fermioni sono a loro volta divisi in due famiglie: quark e leptoni. Si hanno 6 quark e 6 leptoni e sono raggruppati a coppie in 3 generazioni.

La prima generazione contiene, tra i leptoni, l’elettrone e il neutrino elettronico mentre, tra i quark, il quark up e il quark down. L’elettrone e i due quark della prima generazione formano gli atomi, di cui è composta tutta la materia ordinaria che ci circonda.

La seconda generazione di leptoni è composta dal muone e il neutrino muonico, mentre quella dei quark dal charm e dallo strange.

La terza, tra i leptoni ha la particella tau e il neutrino tau, e tra i quark il top e il beauty (o bottom).

Le particelle della seconda e della terza generazione hanno una vita media molto breve e decadono rapidamente in particelle della prima generazione. È per questa loro instabilità che non partecipano alla formazione di materia ordinaria.

I bosoni, invece, mediano le interazioni fondamentali. I gluoni trasmettono la forza nucleare forte, che tiene uniti i quark e rende possibile la stabilità dei nuclei atomici.

I bosoni W e Z mediano la forza nucleare debole, una forza a corto raggio che è responsabile di molti decadimenti radioattivi e svolge un ruolo essenziale nelle reazioni di fusione che alimentano le stelle. La forza nucleare debole coinvolge leptoni e quark, ed è la sola interazione che interviene sui neutrini, motivo per cui sono particelle difficili da rivelare.

I fotoni, le particelle di luce, sono responsabili dell’interazione elettromagnetica, che a differenza della forza debole, è un’interazione a lungo raggio. L’interazione elettromagnetica coinvolge i leptoni dotati di carica elettrica (elettroni, muoni e tau) e i quark.

Il bosone di Higgs è la manifestazione del campo di Higgs, che conferisce massa a molte delle particelle del modello standard. Le particelle che interagiscono con questo campo acquisiscono una massa, mentre quelle che non vi interagiscono, come il fotone, rimangono prive di massa. Lo stesso bosone di Higgs è in grado di interagire con il proprio campo, il ché contribuisce a conferirgli una massa considerevole.

Il modello standard delle particelle descrive anche l’antimateria: a ogni particella corrisponde una particella di uguale massa ma con carica elettrica e altri numeri quantici opposti. Quando materia e antimateria vengono in contatto si annichilano, liberando energia sotto forma di fotoni. Alcune particelle, come il fotone o il bosone di Higgs, coincidono con la loro antiparticella.

Il modello standard ha conosciuto moltissimi successi sperimentali, ultimo a livello cronologico, quello della scoperta del bosone di Higgs, teorizzato negli anni ’60 da Peter Higgs e indipendentemente da François Englert e Robert Brout, e rivelato sperimentalmente nel 2012 al Large Hadron Collider (LHC) del CERN grazie agli esperimenti ATLAS e CMS. Il bosone di Higgs rappresentava il tassello mancante, in quanto di tutte le altre particelle predette dal modello si era già avuto riscontro.

Nonostante la sua straordinaria solidità sperimentale, il modello standard non può essere considerato una teoria completa. Sono ancora numerosi gli aspetti della realtà fisica che sfuggono alla sua descrizione. La teoria, infatti, non include la gravità, non spiega la natura della materia oscura né l’asimmetria tra materia e antimateria, e non fornisce una spiegazione soddisfacente della massa dei neutrini. Inoltre, contiene un numero significativo di parametri liberi – come le masse delle particelle e le costanti di accoppiamento – il cui valore deve essere determinato sperimentalmente, anziché derivare dalla teoria stessa.

Al di là di questi limiti, il modello standard rimane la migliore descrizione della materia oggi disponibile. I suoi straordinari successi sperimentali rappresentano una delle più grandi conquiste della fisica moderna. È possibile che in futuro venga affiancato o superato da una teoria più completa e dotata di un maggiore potere esplicativo, ma difficilmente perderà la sua importanza. Proprio come la meccanica di Newton, che continua a essere indispensabile in innumerevoli applicazioni pur essendo stata superata dalla relatività generale e dalla meccanica quantistica, il modello standard resterà uno strumento fondamentale per comprendere e descrivere un vastissimo insieme di fenomeni fisici.