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La fisica moderna

Le particelle elementari

All'inizio degli anni '30 le particelle considerate fondamentali individuate erano quattro: il neutrone appena scoperto (1932), il protone, l'elettrone e il fotone. È proprio a partire da quegli anni che, grazie al progresso delle tecniche di rivelazione e alla nascita degli acceleratori di particelle , il numero di particelle osservate direttamente o indirettamente è andato aumentando, fino a raggiungere l'attuale numero di circa 200 (destinato probabilmente ad aumentare). Nello stesso anno (1932) in cui fu identificato il neutrone, il fisico statunitense C.D. Anderson scoprì la prima particella di antimateria, il positrone (antiparticella dell'elettrone, o antielettrone), la cui esistenza era stata prevista teoricamente qualche anno prima (occorsero più di vent'anni prima che venisse individuata la seconda, l'antiprotone, ma la teoria cominciava a dare i suoi frutti). Sempre negli anni '30 si fece strada l'idea che le forze a distanza, attraverso le quali interagiscono i corpi, fossero spiegabili in termini di particelle di scambio, che funzionano da collante (o mediatori) per l'interazione, nel senso che lo scambio di tali particelle è ciò che dà origine all'interazione. Questa teoria, con opportuni aggiustamenti, è alla base delle moderne teorie fisiche, fondate sull'elettrodinamica quantistica, che permisero di mettere ordine nella compagine delle particelle via via scoperte, classificandole in base all'interazione a cui sono sensibili.

La nozione stessa di particella elementare è strettamente legata ai metodi di indagine disponibili in una data epoca storica: negli anni '60 venne proposta l'ipotesi che alcune particelle, tra cui il neutrone e il protone, fossero "meno elementari" di altre, ovvero che fossero a loro volta costituite da altre particelle (i quark), difficilissime da osservare. La fisica delle particelle ha acquistato una struttura concettuale coerente, confermata da un gran numero di evidenze sperimentali, grazie alle altissime energie raggiungibili con i moderni acceleratori di particelle. Si pensa che attraverso lo studio della materia alle alte energie si possa arrivare a simulare i primi istanti dell'Universo e a scoprire il comportamento della materia nel momento del Big Bang.

L'antimateria

La scoperta del positrone, di cui si è accennato trattando il decadimento , con la stessa caratteristica dell'elettrone ma con carica positiva, fu la prima conferma dell'ipotesi che a tutte le particelle materiali corrisponda un'antiparticella, avente uguale massa ma con altre caratteristiche (tra cui la carica) opposte. L'esistenza dell'antimateria, ipotizzata teoricamente dal fisico inglese P.A.M. Dirac (1902-1984), ebbe una seconda conferma nel 1956, con la scoperta dell'antiprotone (il protone con carica negativa), cui seguì la scoperta dell'antineutrone (che differisce dal neutrone per una proprietà magnetica).

Materia e antimateria non possono coesistere: quando una particella incontra la sua antiparticella avviene il processo dell'annichilazione, cioè entrambe scompaiono e vengono sostituite da una coppia di fotoni energetici, dai quali a loro volta si creano nuove particelle, con liberazione di energia (è per questo motivo che le antiparticelle sono difficili da osservare). I fisici ritengono che nei primi istanti di vita dell'Universo materia e antimateria fossero presenti in misura quasi uguale, ma la materia ebbe il sopravvento grazie alla presenza di una particella, detta bosone di Higgs, di cui si spera di trovare le tracce con nuovi e potenti acceleratori attualmente in costruzione.

I quark

Attorno al 1960 il fisico statunitense M. Gell-Mann introdusse l'ipotesi, oggi largamente accettata, che le particelle che compongono il nucleo, protoni e neutroni, sono a loro volta costituite da una combinazione di tre particelle fondamentali, che chiamò quark (il nome quark fu probabilmente suggerito a Gell-Mann da un oscuro passaggio del romanzo di James Joyce La veglia di Finnegan, dove si legge: "Three quarks for Muster Mark!"). I quark hanno carica elettrica frazionaria (pari a 1/3 o 2/3 della carica elementare dell'elettrone), positiva o negativa, e possiedono uno spin pari a 1/2. Gell-Mann ipotizzò l'esistenza di sei diversi tipi di quark, ciascuno caratterizzato da un particolare sapore (un'espressione di pura fantasia che non rappresenta quello che comunemente si intende con sapore), che ne determina il comportamento. I sei sapori dei quark (v. tab. 25.3) sono up (su), down (giù), strange (stranezza), beauty (bellezza), charm (fascino) e top (alto). In seguito, per non infrangere il principio di esclusione di Pauli , che deve valere per tutte le particelle a spin semintero, introdusse una seconda caratteristica, il colore (anche in questo caso non vi è alcuna correlazione con i colori nel senso comune del termine), per cui ogni quark può presentarsi in uno dei tre colori: rosso, blu e verde.

Sapori e colori possono essere visti come i numeri quantici dei quark, o stati diversi di uno stesso quark, di cui esistono nove combinazioni possibili (sei sapori per tre colori). La teoria che spiega il comportamento dei quark in base alla loro distinzione in colori è la cromodinamica quantistica. Per ogni quark esiste il relativo antiquark, caratterizzato dal corrispondente antisapore e con un anticolore. Tutte le particelle della stessa famiglia del neutrone e del protone (dette barioni) sono costituite da tre quark, mentre particelle più leggere ne contengono solo due (i mesoni). La composizione in termini di quark delle particelle è illustrata nella tabella 25.5. La somma algebrica delle cariche frazionarie dei quark in un neutrone è zero (e infatti la carica del neutrone è nulla), ma la presenza di cariche al suo interno potrebbe giustificare alcune proprietà magnetiche del neutrone altrimenti inaspettate.

Secondo il modello a quark dei nucleoni, i quark non possono essere osservati singolarmente perché l'interazione forte che li tiene uniti a formare il nucleone diventa man mano più intensa quando i quark vengono allontanati, come se si trattasse di una molla. Le conferme sperimentali dell'esistenza dei quark sono solo indirette. L'ultima risale al 1994 ed è avvenuta al Fermilab di Chicago, dove un gruppo di fisici diretti dall'italiano Giorgio Bellettini ha individuato tracce dell'unico quark ancora non osservato, il quark top, nell'acceleratore di protoni CDF (Collider Detector at Fermilab).

L'interazione debole e le interazioni fondamentali

L'elenco delle possibili interazioni che si esercitano tra corpi comprende, oltre all'interazione gravitazionale, all'interazione elettromagnetica e all'interazione nucleare forte, responsabile della coesione dei nuclei, un quarto tipo di forza, detta interazione debole, che si esercita tra particolari tipi di particelle elementari chiamate leptoni (di cui fanno parte l'elettrone e il neutrino) ed è responsabile del decadimento radioattivo nei nuclei. L'interazione debole è circa 10-10 volte meno intensa dell'interazione elettromagnetica e ha un raggio d'azione 10-2 volte più piccolo di quello dell'interazione forte. Come per l'interazione forte, anche per quella debole non esiste un'espressione matematica che ne descrive il comportamento.

In un'interpretazione moderna della fisica (secondo una teoria detta elettrodinamica quantistica) le quattro interazioni fondamentali sono viste attraverso lo scambio di un quanto d'azione tra i corpi che interagiscono: le interazioni avvengono attraverso lo scambio di una particella, caratteristica di ogni interazione (v. tab. 25.4). Per l'interazione gravitazionale il quanto d'azione sarebbe una particella detta gravitone, che però a tutt'oggi non è stata osservata; per l'interazione elettromagnetica il quanto d'azione è il fotone; per l'interazione forte è il gluone, anch'esso solo previsto teoricamente. Infine, per l'interazione debole è il bosone intermedio, osservato per la prima volta nel 1983 dal gruppo di Carlo Rubbia nei laboratori del CERN di Ginevra.

Per capire come funziona il mediatore di una forza, si consideri il decadimento : secondo il modello a quark dei nucleoni, il decadimento avviene per fasi, nelle quali uno dei quark che compongono il nucleone si trasforma in un altro con l'emissione di un bosone intermedio, che decade a sua volta in un positrone (o in un elettrone, a seconda del tipo di decadimento ) e in un neutrino (o in un antineutrino).

Uno degli sforzi principali della fisica attuale è quello di unificare teoricamente le interazioni fondamentali in un unico modello, nel quale ciascuna di esse rappresenti un diverso modo di apparire di un'unica forza originaria, ipoteticamente presente nei primi istanti dell'Universo. Le forze elettromagnetica e debole sono state raggruppate, secondo una teoria risalente all'inizio degli anni '70, in una forza che viene detta elettrodebole, ma gli sforzi per includere gli altri tipi di interazione, se hanno portato finora alla formulazione di teorie molto sofisticate dal punto di vista matematico, non hanno tuttavia ancora avuto conferme negli esperimenti. La teoria che studia le interazioni fondamentali e la loro possibile unificazione è la Teoria della Grande Unificazione (GUT, da Grand Unified Theory).

Le famiglie di particelle

Le particelle elementari citate finora, e le molte altre ancora scoperte grazie all'impiego dei più moderni acceleratori di particelle in esercizio, vengono in genere classificate secondo uno schema che le raggruppa in tre grandi famiglie (v. tab. 25.5) e divise a seconda del tipo di interazione della quale risentono.

La prima famiglia riunisce le particelle che sono considerate i mediatori delle forze fondamentali: il fotone, che trasporta la forza elettromagnetica; il gluone, che trasporta la forza forte; i bosoni intermedi, che trasportano la forza debole; e virtualmente il gravitone, mediatore della forza gravitazionale.

La seconda famiglia è rappresentata dai leptoni, che comprendono l'elettrone, il neutrino, il muone e la particella tau. I leptoni interagiscono attraverso la forza debole e attraverso quella elettromagnetica, hanno masse relativamente piccole o quasi nulle (come i neutrini) e sono particelle fondamentali, cioè non ulteriormente divisibili.

La terza famiglia, più popolata delle precedenti, è rappresentata dagli adroni. Gli adroni interagiscono attraverso l'interazione nucleare forte e sono suddivisi in due categorie: i mesoni e i barioni. I mesoni comprendono particelle dette pioni, kaoni e le particelle eta, mentre i barioni, più pesanti, comprendono i due nucleoni (protone e neutrone), le particelle lambda, le particelle sigma e le particelle xi. Tutti gli adroni sono a loro volta costituiti da quark e non sono quindi particelle fondamentali. I barioni sono formati ciascuno da tre quark (non necessariamente diversi), mentre i mesoni da un quark e da un antiquark, non necessariamente dello stesso tipo.

Tab. 25.3: I sei quark e le loro caratteristiche principali

I sei quark e le loro caratteristiche principali
SAPORE
SIMBOLO
MASSA (GeV)
CARICA (UNITÀ ELETTRONICHE) CONFERMA SPERIMENTALE
up
u
0,005
+ 2/3 1963
down
d
0,010
− 1/3 1963
strange
s
0,15
− 1/3 1974
charm
t
1,35
+ 2/3 1974
top
c
> 89
+ 2/3 1994
beauty
b
4,5
− 1/3 1977

Tab. 25.4: Le quattro interazioni fondamentali e le loro caratteristiche

Le quattro interazioni fondamentali e le loro caratteristiche
INTERAZIONE MEDIATORI INTENSITÀ RELATIVA RAGGIO D'AZIONE
gravitazionale gravitoni 10−39 infinito
elettromagnetica fotoni 10−2 infinito
nucleare forte gluoni 1 10−13 cm
nucleare debole bosoni intermedi 10−13 10−15 cm

Tab. 25.5: Classificazione delle particelle elementari e loro caratteristiche

Classificazione delle particelle elementari e loro caratteristiche
TIPO DI PARTICELLA
SIMBOLO
QUARK COMPONENTI
CARICA ELETTRICA
ANTIPARTICELLA
mediatori
o portator
fotone
γ
0
gluone
g
0
bosone
W+
−1
 
W
−1
Z0
0
leptoni elettrone
e
−1
e+
neutrino elettronico
νe
0
νe
muone
μ
−1
μ+
neutrino muonico
νμ
0
νμ
tauone
τ
−1
τ+
neutrino tauonico
ντ
0
ντ
adroni mesoni pione
π+
u d
+1
π
kaone
K+
u s
+1
K
barioni protone
p
u u d
+1
p
neutrone
n
d d u
0
n−0
lambda
Λ0
s u d
0
Λ−0
sigma
Σ+
u u s
+1
Σ−+
Σ
d d s
−1
Σ−−
xi
Ξ0
u s s
0
Ξ−0
Ξ
d s s
−1
Ξ+

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