La Fisica delle particelle elementari

Disponendo ormai della QCD e della teoria ellettrodebole, che cosa resta ancora da chiarire? Se entrambe le teorie sono corrette, possono anche essere complete? Molte osservazioni vengono spiegate solo in parte, se pure lo sono, dalle due teorie separate delle interazioni forte ed elettrodebole, e pare che alcune suggeriscano una ulteriore unificazione delle interazioni forte, debole ed elettromagnetica.

A suggerire indagini più profonde vi è la straordinaria somiglianza tra quark e leptoni. Con l'attuale risoluzione sperimentale le particelle di entrambi i gruppi appaiono prive di struttura. I quark possiedono cariche di colore, mentre i leptoni no, ma hanno entrambi spin 1/2 e partecipano alle interazioni elettromagnetica e debole. Inoltre, la stessa teoria elettrodebole suggerisce una relazione tra quark e leptoni. A meno che ciascuna delle tre famiglie di leptoni (per esempio, quella dell'elettrone e del suo neutrino) possa essere associata alla corrispondente famiglia di quark (i quark u e d con i loro tre colori) la teoria elettrodebole rischia di essere accusata di incoerenza matematica.

Anche tutto ciò che sappiamo sulle forze fondamentali punta a una unificazione. Tutte e tre si possono descrivere con teorie di gauge, analoghe nella struttura matematica. Inoltre, appare probabile che l'intensità delle tre forze converga a distanze molto brevi, un fenomeno che sarebbe evidente soltanto in presenza di energie estremamente elevate. Abbiamo visto che la carica elettromagnetica cresce a brevi distanze, mentre la carica forte, o di colore, diventa sempre più debole. Potrebbero tutte le interazioni diventare confrontabili a una certa energia elevatissima?

Se le interazioni sono fondamentalmente le stesse, la distinzione tra i quark, che sono sensibili alla forza forte, e i leptoni, che non lo sono, comincia a dissolversi. Nell'esempio più semplice di teoria unificata, proposto nel 1974 da Glashow e da Howard Georgi di  Harvard, ogni insieme corrispondente di quark e di leptoni dà origine a una vasta famiglia, comprendente tutti i vari stati di carica e di spin di ciascuna particella.

La coerenza matematica dell'organizzazione della materia, qual è stata proposta, è impressionante. Inoltre, regolarità nello schema richiedono che la carica elettrica sia distribuita tra le particelle elementari in multipli esatti di 1/3, riuscendo in tal modo a spiegare la neutralità elettrica della materia stabile. L'atomo è neutro perché, quando i quark vengono presi a gruppi di tre, come accade nel nucleo, le loro cariche singole si combinano e formano una carica intera, uguale e opposta alla carica del numero intero di elettroni. Se i quark non fossero correlati ai leptoni, l'esatta relazione delle loro cariche elettriche potrebbe essere solo una notevole coincidenza.

In una unificazione di questo tipo è necessaria soltanto una teoria di gauge per descrivere tutte le interazioni della materia. In essa ogni particella di un insieme può essere trasformata in qualsiasi altra particella: sono comuni trasformazioni di quark in altri quark e di leptoni in altri leptoni, mediate rispettivamente da gluoni e da bosoni intermedi. Una teoria unificata suggerisce che i quark possano trasformarsi in leptoni, e viceversa. Come in qualsiasi teoria di gauge, una siffatta interazione sarebbe mediata da un portatore di forza, un ipotetico bosone X o Y, e come altre teorie di gauge, la teoria unificata descrive la variazione dell'intensità dell'interazione con la distanza. Secondo la più semplice delle teorie unificate, le interazioni forte ed elettrodebole separate convergono e diventano un'unica interazione a una distanza di 10^-29 centimetri, corrispondente a un'energia di 10²⁴ elettronvolt.

Una tale energia è di gran lunga maggiore di quella che si può raggiungere in un acceleratore, ma certe conseguenze dell'unificazione dovrebbero essere evidenti anche nel mondo a bassa energia nel quale viviamo. L'ipotesi che le trasformazioni possano attraversare il confine tra quark e leptoni implica che la materia, la cui massa è per la maggior parte formata da quark, possa decadere. Se, per esempio, i due quark u di un protone dovessero reciprocamente avvicinarsi a meno di 10^-29 centimetri, essi potrebbero combinarsi e formare un bosone X, che si disintegrerebbe in un positrone e in un antiquark d. L'antiquark si combinerebbe poi con il restante quark del protone, un quark d, e formerebbe un pione neutro, il quale a sua volta decadrebbe rapidamente in due fotoni. Durante il processo gran parte della massa del protone si trasformerebbe in energia.

L'osservazione del decadimento del protone avrebbe un notevole peso a favore di una teoria unificata. Avrebbe inoltre interessanti conseguenze cosmologiche. L'universo contiene molta più materia che non antimateria. Dal momento che la materia e l'antimateria sono equivalenti sotto quasi ogni aspetto, è affascinante l'ipotesi che l'universo sia stato formato da uguali quantità di entrambe. Se il numero di barioni - particelle a tre quark come il protone e il neutrone, che costituiscono la maggior parte della materia comune - può cambiare, come implicherebbe il decadimento del protone, allora non è detto che l'attuale eccesso di materia rappresenti lo stato iniziale dell'universo. All'origine materia e antimateria potrebbero essere state presenti in uguali quantità, ma durante i primi istanti successivi al big bang, mentre l'universo si trovava in uno stato energetico estremamente elevato, l'equilibrio potrebbe essere stato alterato da processi che modificano il numero di barioni.

Sono stati allestiti numerosi esperimenti alla ricerca del decadimento del protone. La grande energia di unificazione implica che la vita media del protone sia straordinariamente lunga, oltre 10³⁰ anni. Per avere una ragionevole probabilità di osservare un singolo decadimento è necessario tenere sotto controllo un grandissimo numero di protoni. Un aspetto fondamentale degli esperimenti sul decadimento del protone è perciò quello di eseguirli su grande scala. L'esperimento più ambizioso finora allestito è quello che utilizza un recipiente di 21 metri di lato, dotato di strumentazione e contenente acqua chimicamente pura, il quale è stato installato nella miniera salina di Morton nei pressi di Cleveland. 

Il fatto che in un periodo di quasi tre anni, in cui sono stati effettuati i controlli, non si sia osservato il decadimento di alcuno degli oltre 10³³ protoni dell'acqua suggerisce che la vita media del protone sia ancora più lunga di quanto preveda la più semplice delle teorie unificate. In alcune teorie alternative la vita media del protone appare però notevolmente più lunga, ed esistono altre teorie nelle quali i protoni decadono addirittura in modi difficili da rivelare con le attuali tecnologie. I risultati di altri esperimenti in corso indicano comunque che i protoni possono davvero decadere.