Modello standard: come funziona l'Universo?

In questo nuovo articolo affronteremo domande molto importanti: come si relazionano le particelle in generale? Come funziona la fisica ai livelli sub-atomici? Non abbiamo risposte certe ma i fisici hanno creato un modello coerente con quel che sappiamo... Si chiama modello standard ed è la "teoria fisica che descrive l'interazione tra tre delle quattro forze fondamentali note". Ma che vuol dire? Cosa sono le "interazioni fondamentali"? E perché il modello standard è così importante? Se volete saperne di più seguiteci su Eagle sera.

Prima di iniziare il nostro viaggio attraverso le particelle sub-atomiche dobbiamo comprendere un concetto basilare: le interazioni fondamentali...

Interazioni fondamentali

In fisica le interazioni fondamentali o forze fondamentali sono le interazioni o forze della natura che permettono di descrivere i fenomeni fisici a tutte le scale di distanza e di energia e che non sono quindi riconducibili ad altre forze. Sono state individuate quattro forze o interazioni fondamentali: l'interazione gravitazionale, l'interazione elettromagnetica, l'interazione debole e l'interazione forte. Per energie dell'ordine dei 100 GeV la forza elettromagnetica e la forza debole si presentano come unificate nell'interazione elettrodebole. Ulteriori forze sono state proposte per spiegare alcune lacune delle attuali teorie anche rispetto ai risultati sperimentali (ad esempio non sono ancora note le interazioni della materia oscura), ma al momento non esiste consenso in merito alla loro esistenza e alle loro eventuali proprietà. Semplificando possiamo dire che la forza gravitazionale corrisponde alla gravità e l'interazione elettromagnetica alla radiazione elettromagnetica (luce).

Intensità e raggio d'azione

Il raggio d'azione e l'intensità di una forza sono le due più importanti caratteristiche delle interazioni fondamentali. L'intensità fornisce una misura dei rapporti di forza tra le interazioni di diversa natura. Semplificando, il raggio d'azione può essere pensato come la distanza massima alla quale un'interazione è influente. Ad esempio l'interazione gravitazionale ha un raggio d'azione infinito; per questo motivo il Sole esercita la sua forza anche su corpi lontanissimi come Plutone. L'interazione gravitazionale determina la forza di gravità sulla Terra e l'attrazione fra i pianeti, fenomeni descritti in buona approssimazione dalla legge di gravitazione universale. Due corpi si attraggono in modo direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse, in altre parole la forza gravitazionale è proporzionale alla massa, diversamente dall'interazione elettromagnetica, dove la carica elettrica di un corpo non ha in generale nessuna relazione con la sua massa. La comprensione più completa della gravità come espressione della geometria dello spazio-tempo è dovuta alla relatività generale e prevede l'esclusione del concetto di gravità come forza, fortemente intuitivo ma fondamentalmente errato. E' per questo che non è del tutto corretto dire "forza gravitazionale". E' preferibile infatti l'uso del termine "interazione gravitazionale". L'interazione elettromagnetica è, invece, responsabile delle proprietà chimiche degli atomi e della struttura delle molecole. La carica elettrica determina l'intensità e il verso dell'interazione fra corpi carichi, corpi con uguali cariche elettriche si respingono, mentre corpi con cariche elettriche discordi si attraggono. La forza elettromagnetica è il risultato dell'interazione locale fra i corpi carichi e il campo elettromagnetico. Il campo elettromagnetico può propagarsi come un'onda, come nel caso delle onde radio e della luce stessa. Anche l'interazione elettromagnetica ha raggio di interazione infinito, ad esempio la luce emessa dalle stelle delle galassie più lontane arriva sulla Terra e interagisce con gli atomi dell'atmosfera, dei nostri occhi e dei nostri telescopi. L'interazione elettromagnetica ha poca influenza nel determinare la struttura dei sistemi planetari, delle galassie e più in generale dell'universo su grande scala. Infatti le stelle, i pianeti e le galassie sono oggetti globalmente privi di carica elettrica, sicché l'interazione fra questi corpi celesti è dominata dalla gravità. L'interazione nucleare debole è responsabile delle forze che intervengono nei decadimenti nucleari. L'interazione debole ha un raggio d'azione finito comparabile alle scale delle lunghezze subatomiche, quindi particolarmente piccolo, se raffrontato con le scale umane. L'interazione nucleare forte, dotata di una proprietà definita carica di colore, tiene uniti i quark, costituenti elementari dei protoni e dei neutroni, ed anche quest'ultimi all'interno del nucleo. È in termini assoluti la forza più intensa fra quelle finora conosciute, al punto che non è possibile a bassa energia isolare e separare un singolo quark da un protone. Tale confinamento della carica di colore consente quindi teoricamente interazioni forti a lungo raggio solo attraverso bosoni compositi globalmente neutri per colore formati da un quark e un antiquark, a loro volta legati dalla forza forte (mesoni). Essendo però questi tutti instabili, e decadendo in breve tempo, la forza nucleare forte agisce di fatto solo a corta distanza nei nuclei. Ad esempio l'interazione forte fra due nucleoni può essere descritta a bassa energia come il risultato dello scambio di mesoni Pi, o pioni.

Teoria quantistica dei campi

La teoria quantistica dei campi (in inglese Quantum field theory o QFT) sviluppa la meccanica quantistica applicandola al concetto fisico di campo e modificando di conseguenza il concetto di particella come entità singola, dandole il significato di stato eccitato di un punto del campo. Introdotta nell'ambito della fisica delle particelle con l'elaborazione dell'elettrodinamica quantistica al fine di rendere la meccanica quantistica coerente con la relatività ristretta, ha poi trovato estesa applicazione anche in fisica della materia condensata, in quanto i campi, entità fisiche rappresentate in ogni punto dello spaziotempo, possono descrivere sia le radiazioni che la materia, come ad esempio i fluidi o i cristalli. I fondamenti della teoria furono sviluppati tra i tardi anni venti e gli anni cinquanta del Novecento principalmente da Paul Dirac, Wolfgang Pauli, Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger, Richard P. Feynman, Freeman Dyson. La teoria quantistica dei campi corregge molte inconsistenze di una prima versione relativistica della meccanica quantistica sviluppata agli inizi del XX secolo.

Secondo la teoria quantistica dei campi, le particelle che costituiscono la materia interagiscono attraverso lo scambio di uno o più bosoni di gauge, particelle elementari mediatrici di forza che costituiscono i quanti del rispettivo campo. L'interazione fra due elettroni avviene ad esempio attraverso l'emissione e l'assorbimento di fotoni. I bosoni di una teoria di gauge sono bosoni vettori, ovvero hanno spin uguale a uno, eccetto il gravitone, bosone di gauge in un'ipotetica formulazione quantistica dell'interazione gravitazionale, che dovrebbe avere spin uguale a due. 

Unificazione delle forze

Nel periodo tra l'introduzione dello schema dinamico di Newton, coi Principia del 1687, e la comparsa della relatività speciale del 1905, ci furono molti importanti sviluppi nella rappresentazione della fisica fondamentale. Il più importante riguarda l'idea, introdotta da Faraday e Maxwell nel XIX secolo, che la nozione di campo fisico, permeante lo spazio, debba coesistere con la realtà intesa newtonianamente di singole particelle interagenti tramite forze istantanee.  La filosofia meccanicistica del XVII secolo infatti prevedeva un modello di mondo microscopico composto da corpuscoli piccolissimi dotati di proprietà simili a quelle delle palle da biliardo nel mondo cosiddetto macroscopico. Le scoperte di Michael Faraday, intorno al 1833, e le rappresentazioni della realtà necessarie per la sua sistemazione, fornirono le prime indicazioni per la necessità di un simile mutamento di paradigma. Il cambiamento riguardava il ritenere che le particelle newtoniane e le forze che agiscono tra di loro non fossero gli unici elementi in gioco. Fu Maxwell, nel 1864, a formulare le equazioni che questo campo deve soddisfare e a dimostrare che i campi trasportano energia da un posto all'altro. La forma di queste equazioni ha guidato scienziati come Lorentz, Poincaré e Einstein alle trasformazioni spaziotemporali della relatività speciale che, a loro volta, hanno condotto alla concezione di spaziotempo di Minkowski. Nel 1873 Maxwell scoprì che due forze della natura apparentemente diverse, la forza magnetica e la forza elettrica, sono in realtà manifestazioni della stessa interazione fondamentale. Le equazioni di Maxwell permisero di riunire in una formulazione matematica sintetica ed elegante le leggi dell'elettricità e del magnetismo allora note, principalmente la legge di induzione di Faraday, il teorema di Gauss per il campo elettrico e la Legge di Ampère, a cui Maxwell aggiunse un termine noto come corrente di spostamento. Tutte le equazioni prese assieme descrivono in maniera unitaria e completa tutti i fenomeni elettromagnetici, come ad esempio l'attrazione fra due calamite e la propagazione della luce nel cosmo. Allo stesso modo nel XX secolo si è scoperto che l'interazione elettromagnetica e la forza nucleare debole sono due manifestazioni di un'unica interazione, l'interazione elettrodebole, la cui simmetria è manifesta ad alte energie, ma è rotta a bassa energia dal meccanismo di Higgs. In questo modo sia i fenomeni elettromagnetici come la luce, che i decadimenti nucleari possono essere spiegati tramite l'azione di una sola forza. Allo stato attuale delle ricerche, la teoria che meglio descrive la fisica delle particelle è nota come Modello standard, che descrive in modo unitario l'interazione nucleare forte e l'interazione elettrodebole, anche se l'unificazione della interazione forte non è ancora completa. Il Modello Standard ha ottenuto numerose verifiche sperimentali, anche grazie al lavoro degli acceleratori di particelle, come l'LHC o il tevatron. I nuovi esperimenti dovrebbero consentire di colmare le lacune del modello standard. Uno dei grandi obiettivi della fisica teorica contemporanea è quello di fornire una descrizione dell'interazione gravitazionale valida ad alte energie e piccole distanze, ossia di unificare la relatività generale con la meccanica quantistica. Se questa unificazione avesse successo, sarebbe possibile conoscere in maggior dettaglio, ad esempio, la fisica dei buchi neri e i primissimi istanti di vita dell'universo dopo il Big Bang. Secondo le moderne teorie di unificazione, come ad esempio la teoria delle stringhe, ad alte energie (e quindi ad alte temperature) le quattro forze fondamentali si fondono in una sola.

Ora che abbiamo compreso cosa sono le interazioni fondamentali, andiamo alla scoperta del mondo delle particelle: analizziamo il modello standard...

Introduzione al modello standard

Gli atomi sono formati da particelle elementari che, cioè, non sono ulteriormente suddivisibili. Il modello standard ci dice come si comportano queste particelle. Ma COME si comprtano, allora?

Si applica fondamentalmente ai fermioni (particelle a spin -"rotazione"- semi-intero e che obbediscono alla statistica di fermi-dirac -gli atomi si dispongono in un certo modo, dipendente da una precisa statistica-) e ai bosoni (obbediscono alla statistica di Bose-Einstein e hanno spin intero). Le particelle elementari si dividono in tre famiglie, ognuna formata sia da quark che da leptoni (entrambi sono fermioni).

• Famiglia 1 (stabile): Quark: Quark U (carica +2/3) e D (-1/3). Se combinati possono dare un protone (2U+1D; carica 2/3+2/3-1/3=3/3=+1; carica positiva) o a un neutrone (1U+2D; carica 2/3-1/3-1/3=0/3=0; carica neutra). Leptoni: elettroni (carica negativa) e neutrino elettronico.
• Famiglia 2 (instabile): Quark: Quark C e S. Leptoni: Muone e neutrino muonico
• Famiglia 3 (instabile): Quark: Quark T e B. Leptoni: Tau e neutrino tauonico

I quark U, C e T hanno carica +2/3. I quark D, S e B hanno carica -1/3. Elettroni, muoni e tau hanno carica -1 mentre tutti i neutrini hanno carica neutra.

I bosoni del modello standard sono particelle "messaggere" che permettono alle interazioni di propagarsi. Sono il fotone (fa propagare l'interazione elettromagnetica), il gluone (interazione forte) e bosoni W e Z (interazione debole). Da poco è stato inoltre scoperto il bosone di Higgs, che conferisce massa a tutte le altre particelle. Non abbiamo ancora scoperto una particella messaggera corrispondente all'interazione gravitazionale ma ne abbiamo ipotizzata una: il gravitone. Ciò nonostante l'idea di una particella messaggera per l'interazione gravitazionale presenta alcuni problemi. Per questo questa interazione è stata momentaneamente esclusa del modello standard.

Le particelle che si formano a partire da quelle elementari si dividono in:

1. Adroni o Barioni: protone (u+u+d=carica 1), neutrone (u+d+d=carica 0), lambda (d+s+u= carica 0)
2. Mesoni: pione negativo (anti-u+d), pione positivo (u+anti-d), Kaone neutro (anti-s+d), Anti Kaone neutro (anti-d+s).

Approfondiamo: il Modello Standard

Il Modello standard (MS) è la teoria fisica che descrive tre delle quattro interazioni fondamentali note: le interazioni forte, elettromagnetica e debole (le ultime due unificate nell'interazione elettrodebole) e tutte le particelle elementari ad esse collegate. Basato sulla teoria quantistica dei campi, matematicamente è una teoria di gauge non abeliana (teoria di Yang-Mills), rinormalizzabile e coerente con la relatività ristretta. Le sue previsioni sono state in larga parte verificate sperimentalmente con un'ottima precisione ed esso rappresenta l'attuale modello teorico di riferimento delle forze fondamentali. Tuttavia presenta vari aspetti di incompletezza; in particolare, non comprendendo l'interazione gravitazionale, per la quale non esiste ad oggi una teoria quantistica coerente, non costituisce quella teoria del tutto obiettivo del sapere fisico. L'unificazione delle interazioni elettromagnetica e debole nel Modello standard è dovuta a Steven Weinberg e Abdus Salam, che indipendentemente (rispettivamente nel 1967 e 1968) estesero e completarono una prima formulazione di Sheldon Glashow basata su una teoria di Yang-Mills con gruppo di gauge SU(2)xU(1), che incontrava difficoltà legate all'introduzione diretta delle masse dei bosoni vettori intermedi. Weinberg e Salam integrarono il lavoro di Glashow con la proposta di Peter Higgs e altri di rottura spontanea di simmetria di un campo scalare ubiquitario, che permette di dare origine alle masse di tutte le particelle descritte nel modello. Dopo la scoperta al CERN dell'esistenza delle correnti neutre deboli mediate dal bosone Z, come previsto dalla loro teoria, Weinberg, Salam e Glashow furono insigniti del premio Nobel per la fisica nel 1979. Il modello standard come proposto in origine era limitato ai soli leptoni. I quark, la cui teoria aveva cominciato ad essere elaborata negli anni sessanta, furono introdotti successivamente nel modello grazie anche a un lavoro cruciale del 1970 dello stesso Glashow, John Iliopoulos e Luciano Maiani, che introdussero un quarto quark, detto charm, che aveva lo scopo di sopprimere fortemente le correnti a cambiamento di stranezza (meccanismo GIM). Con la successiva scoperta della libertà asintotica, a metà circa degli anni settanta la delineazione del Modello standard poteva dirsi conclusa. Nel Modello standard le particelle elementari sono raggruppate in due tipologie principali sulla base della statistica a cui obbediscono e di conseguenza dello spin:

• I fermioni, ovvero i quark e i leptoni, aventi spin semintero.

Tutta la materia ordinaria che osserviamo nel mondo macroscopico è costituita da quark e leptoni: gli atomi sono composti da un nucleo ed uno o più elettroni, che sono i più leggeri tra i leptoni carichi. Il nucleo è costituito a sua volta da protoni e neutroni che sono composti ciascuno da tre quark. I fermioni sono raggruppati in famiglie, tre per i leptoni e tre per i quark. Le tre famiglie di leptoni comprendono ciascuna una particella carica (rispettivamente elettrone, muone e tau) ed un corrispondente neutrino. A differenza dei quark, i leptoni non posseggono alcuna carica di colore e quindi su di loro la forza nucleare forte non ha effetto. Le tre famiglie di quark prevedono ciascuna un quark di carica 2/3 ed uno di carica 1/3 I quark più leggeri sono up (u) e down (d), che combinati secondo lo schema uud formano il protone (di carica +2/3+2/3-1/3=+1), mentre combinati secondo lo schema udd formano il neutrone (di carica +2/3-1/3-1/3=0).

• I bosoni, noti anche come bosoni vettoriali o bosoni di gauge in quanto la loro esistenza viene introdotta in base a un principio di simmetria detta "simmetria di gauge", aventi spin intero.

I bosoni risultano essere le particelle mediatrici delle interazioni fondamentali: il fotone per l'interazione elettromagnetica, i due bosoni carichi W ed il bosone Z per l'interazione debole e i gluoni per l'interazione forte. Nel Modello standard è anche prevista la presenza di almeno un bosone di Higgs, la cui massa non era quantificata dal modello e che è stata verificata attraverso i due esperimenti ATLAS e CMS presso il CERN nel 2012 (vedi più avanti l'apposito paragrafo). I gravitoni, bosoni ipotetici che si pensa medino l'interazione gravitazionale in una possibile formulazione quantistica, non sono considerati nel Modello standard. I fermioni possono essere raggruppati in base alle loro proprietà di interazione in tre generazioni. La prima è composta da elettroni, neutrini elettronici e dai quark up e down. Tutta la materia ordinaria è costituita, come si è visto, da elettroni e dai quark up e down. Le particelle delle due generazioni successive hanno massa maggiore delle precedenti (per quanto ne sappiamo; per i neutrini le attuali misure non permettono una misura diretta della massa, ma solo dei valori assoluti delle differenze di massa). A causa della loro maggior massa, i leptoni ed i quark della seconda e terza famiglia (o le particelle da essi costituite) possono decadere in particelle più leggere costituite da elementi della prima famiglia. Per questo, queste particelle sono instabili e presentano una breve vita media.  I quark possiedono una carica di colore, che li rende soggetti alla forza nucleare forte e che è mediata dai gluoni. Come già detto, i gluoni sono dotati a loro volta di carica di colore e possono interagire tra di loro. Per questo motivo, e per l'elevato valore della costante di accoppiamento forte, la forza forte aumenta con l'aumentare della distanza e fa sì che i quark e i gluoni non possano essere mai osservati liberi nella materia ordinaria, ma solo combinati in stati che hanno carica di colore totale nulla. Gli stati di colore neutro dei quark sono detti adroni, e si dividono in barioni, di tipo fermionico, composti da tre quark (come neutroni e protoni), e mesoni, di tipo bosonico, composti da una coppia quark-antiquark (come i pioni). La massa totale di tali particelle supera quella dei singoli componenti a causa dell'energia di legame. Gli stati neutri dei gluoni prendono il nome inglese di glueball (palle di colla). Oltre a questi stati legati sono stati ipotizzati anche stati cosiddetti "esotici" costituiti da diverse combinazioni, come i tetraquark e i pentaquark, di cui non esistono tuttavia evidenze sperimentali definitive. Il Modello standard rappresenta un esempio di unificazione delle interazioni fondamentali perché le interazioni elettromagnetiche e deboli sono entrambe diverse manifestazioni a bassa energia di un'unica interazione che prende il nome di forza elettrodebole. Altri esempi di unificazione sono avvenuti storicamente:

• Isaac Newton attribuì ad un'unica forza di gravità sia la caduta dei gravi che il moto dei pianeti. Questa unificazione prese il nome di gravitazione universale.
• James Clerk Maxwell, con le sue equazioni, unificò le forze elettriche e magnetiche in un'unica interazione elettromagnetica. Questa unificazione descrive anche le onde elettromagnetiche, come le onde radio usate nelle telecomunicazioni, le onde luminose, i raggi x e i raggi gamma.

Molti fisici delle particelle ritengono che sia possibile un'unificazione delle forze ancora più profonda. L'interazione elettrodebole e quella forte, infatti, sono caratterizzate da due costanti di accoppiamento distinte nel Modello standard, ma la loro estrapolazione ad alte energie sembra indicare una possibile unificazione. Il Modello Standard non comprende la gravità, la cui trattazione in relatività generale non è ad oggi compatibile con la meccanica quantistica. Alla base della formulazione del Modello standard viene posto un principio di simmetria fondato sulla teoria di Yang-Mills. La simmetria consiste nell'invarianza della teoria sotto opportune trasformazioni locali, dette trasformazioni di gauge. L'invarianza di gauge garantisce la coerenza matematica e la predittività della teoria, ossia quella che tecnicamente viene definita rinormalizzabilità. Le interazioni fondamentali vengono rappresentate nel gruppo unitario SU(2)×U(1)×SU(3), costituito dal prodotto di SU(2)×U(1) che descrive le interazioni elettromagnetiche e deboli (unificate nell'interazione elettrodebole), con SU(3) che descrive le interazioni forti. La descrizione delle interazioni elettromagnetiche attraverso il gruppo U(1) prende il nome di elettrodinamica quantistica, o QED, mentre la descrizione delle interazioni forti attraverso il gruppo SU(3) prende il nome di cromodinamica quantistica, o QCD. A ogni gruppo considerato corrispondono i bosoni vettori, che, come già detto, sono i mediatori delle forze osservate in natura e il cui numero dipende da quello dei generatori, che è una proprietà matematica del gruppo stesso. Al sottogruppo SU(2)×U(1) corrispondono il fotone, mediatore dell'interazione elettromagnetica, ed i bosoni W (carichi) e Z (neutro), mediatori dell'interazione debole, mentre al sottogruppo SU(3) corrispondono otto gluoni, dotati di carica di colore e per questo soggetti a loro volta alla forza forte (a differenza dei fotoni, che hanno carica elettrica nulla). Ciò può essere messo in relazione al fatto che SU(3) è un gruppo non abeliano. Similmente avviene per i bosoni W e Z che possono interagire tra loro. Questa proprietà è stata verificata sperimentalmente, in particolare all'acceleratore LEP del CERN. Le teorie di gauge, di per sé, non sono in grado di descrivere bosoni vettori dotati di massa, che renderebbero la teoria non rinormalizzabile e quindi incoerente dal punto di vista fisico-matematico. Questo contraddirebbe quanto viene osservato sperimentalmente a proposito dei bosoni deboli W e Z. Il meccanismo di rottura spontanea della simmetria del sottogruppo SU(2)×U(1) è tuttavia in grado includere anche i bosoni massivi nel Modello standard introducendo nella teoria un ulteriore bosone, a sua volta massivo, il bosone di Higgs. Il meccanismo di Higgs è anche in grado di spiegare, ma non prevedere quantitativamente, la massa dei fermioni. Il 4 luglio 2012 è stato dato l'annuncio che i due esperimenti ATLAS e CMS presso il CERN hanno osservato con un elevato grado di precisione (4,9 sigma per CMS e 5 sigma per Atlas) un nuovo bosone con una massa tra i 125 e i 126 GeV e con caratteristiche compatibili con il Bosone di Higgs. La scoperta è stata poi confermata ufficialmente il 6 marzo 2013, nel corso di una conferenza tenuta dai fisici del CERN a La Thuile.

Anche se il Modello standard ha avuto un notevole successo nello spiegare i risultati sperimentali, presenta diversi aspetti di incompletezza, in particolare nei seguenti punti:

1. Contiene ben 19 parametri liberi, come le masse delle particelle e le costanti di accoppiamento, che devono essere determinati sperimentalmente, ma le masse non possono essere calcolate indipendentemente l'una dall'altra, segno che sono legate da una qualche relazione non prevista dal modello.
2. Non comprende l'interazione gravitazionale.
3. Non prevede massa per i neutrini.
4. Non prevede l'esistenza di materia oscura

• Fin dal completamento del Modello standard sono stati fatti molti sforzi per superare questi limiti e trasformarlo in una teoria completa. Un tentativo di superare il primo difetto è noto come grande unificazione: le cosiddette GUT (Grand unification theories, teorie della grande unificazione) si prefiggono di unificare l'interazione forte ed elettrodebole e ipotizzano che i gruppi SU(3), SU(2) e U(1) non siano altro che dei sottogruppi di un altro gruppo di simmetria ancora più grande. Ad alte energie (al di fuori dalla portata degli esperimenti condotti) la simmetria del gruppo unificatore è recuperata: a energie più basse invece si riduce a SU(3)×SU(2)×U(1) per un processo noto come rottura spontanea di simmetria. La prima teoria di questo tipo venne proposta nel 1974 da Georgi e Glashow, con il gruppo SU(5) come gruppo di unificazione. Una proprietà distintiva di queste GUT è che, diversamente dal Modello Standard, prevedono tutte il fenomeno del decadimento protonico. Nel 1999 l'osservatorio di neutrini Super-Kamiokande ha stabilito di non aver mai osservato un decadimento protonico, stabilendo così un limite inferiore all'ipotetica emivita (tempo di dimezzamento) del protone pari a 6,7× 1032 anni. Questo ed altri esperimenti hanno invalidato, scartandole, numerose teorie GUT, fra cui quella basata sul gruppo SU(5). Una possibile indicazione sperimentale a supporto di un'unificazione delle interazioni è data dall'evoluzione delle costanti di accoppiamento dei tre gruppi SU(3), SU(2) e U(1) all'aumentare della scala di energia (tecnicamente detto running) che evolve in maniera tale che le costanti, estrapolate a grandi energie, tendono ad assumere valori vicini tra di loro. Tuttavia la convergenza dei valori delle costanti non è esatta, cosa che fa pensare all'esistenza di ulteriori fenomeni non ancora scoperti tra la scala di energia della massa e quella della grande unificazione.

• L'inclusione dell'interazione gravitazionale nel modello standard in una cosiddetta teoria del tutto passa evidentemente per una teoria, ancora mancante, che riesca a conciliare la relatività generale con la meccanica quantistica. Alcuni tentativi sono in corso in tal senso (teoria delle stringhe, supergravità e altri), che si tenta a loro volta di inquadrare in un ulteriore più ampio assetto teorico denominato M-teoria.

• La prima conferma sperimentale della deviazione dalla formulazione originale del Modello standard venne nel 1998, quando l'esperimento Super-Kamiokande pubblicò risultati che indicavano una oscillazione dei neutrini fra tipi diversi; questo implica che i neutrini abbiano una massa diversa da zero. Il Modello standard prevede invece che i neutrini abbiano massa nulla e di conseguenza viaggino alla velocità della luce; inoltre presuppone l'esistenza di neutrini solo sinistrorsi, ovvero con spin orientato nella direzione opposta al verso del loro moto. Se i neutrini hanno una massa la loro velocità deve essere inferiore a quella della luce ed è possibile che esistano neutrini destrosi (infatti sarebbe possibile sorpassare un neutrino, scegliendo un sistema di riferimento in cui la sua direzione di moto sia invertita senza influenzare il suo spin, rendendolo quindi destrorso). Da allora i fisici hanno rivisto il Modello Standard introducendo una massa per i neutrini, il che ha aggiunto 9 ulteriori parametri liberi (3 masse, 3 angoli di mixing e 3 fasi) oltre ai 19 iniziali; questo nuovo modello viene chiamato ancora Modello standard, nonostante le modifiche apportate.

• L'ipotesi della materia oscura (leggi il nostro articolo su di essa cliccando qui) , che dovrebbe costituire la maggior parte della materia esistente nell'universo, deriva da varie osservazioni sperimentali che indicano effetti gravitazionali di grande entità in assenza di corrispondente materia direttamente osservabile con i normali mezzi che sfruttano l'interazione elettromagnetica. Nessuna previsione sulla natura di una tale materia è ricavabile dal Modello standard. Un'ulteriore estensione del modello, la teoria della supersimmetria (SUSY), propone una "compagna" supersimmetrica massiccia per ogni particella del Modello standard convenzionale e prevede l'esistenza di particelle stabili pesanti che hanno interazioni debolissime con la materia ordinaria. Tali particelle sono state candidate a spiegare la materia oscura, ma non esistono tuttora dati sperimentali a sostegno della teoria supersimmetrica.

Il CERN, dove sono state fatte numerose scoperte circa il modello standard...