I QUARK - Ricerca di Federica Bernardi

I QUARK

Ricerca di Federica Bernardi

La missione della ricerca in fisica subnucleare è di rispondere alla domanda "quali sono i costituenti primi e fondamentali della materia, e come interagiscono tra loro?". Questo compito, cui si dedicano oggi i fisici, è in realtà la versione moderna di un'impresa millenaria: si tenta di rispondere ad una domanda da sempre presente nella mente umana: "Di cosa sono fatte le cose?". Gli antichi greci se la cavavano dicendo "di acqua, terra, aria, fuoco". Con una intuizione geniale, ma senza dimostrare niente, Democrito parlò di atomi indivisibili e indistruttibili che accoppiandosi nei più diversi mosaici costituivano tutte le cose.

Da circa un centinaio di anni si sa in realtà molto di più di questi atomi. I 92 atomi del sistema periodico non sono certo indistruttibili; alcuni di essi mutano per radiazione naturale, e tutti contengono un nucleo separato dagli elettroni che gli stanno attorno. Persino i nuclei possono essere spezzati in neutroni e protoni. Forse gli elettroni sono puntiformi e fondamentali, ma i protoni e i neutroni dei nuclei no .

Esperimenti di urto fra elettroni e protoni e fra protoni e antiprotoni condotti con grandi acceleratori di particelle hanno dimostrato infatti che questi ultimi contengono particelle più piccole. Queste furono chiamate quark dal fisico Murray Gell-Mann, che nel 1969 vinse il Premio Nobel proprio per la sua ricerca su di essi.

Esistono un certo numero di varietà diverse di quark: si pensa che ce ne siano almeno sei "sapori" Che chiamiamo su, giù, incantato, strano, fondo e cima. Ogni sapore può presentare tre diversi "colori": rosso, verde e blu. (Ovviamente questi termini non sono altro che etichette di comodo, perché i quark sono molto più piccoli della lunghezza d'onda della luce visibile e non hanno quindi nessun colore nel senso normale del termine).

Un protone o un neutrone è composto da tre quark, uno di ciascun colore. Un protone contiene due quark su ed un quark giù; un neutrone contiene due quark giù ed un quark su. Possiamo creare particelle composte con gli altri quark (strani, incantati, fondo e cima), ma questi hanno una massa molto maggiore e decadono molto rapidamente in protoni e neutroni.

Usando la dualità onda-particella, è possibile descrivere in termini di particelle tutto ciò che esiste nell'universo, comprese la luce e la gravità. Queste particelle hanno una proprietà chiamata spin. Un modo per pensare allo spin consiste nell'immaginare le particelle come piccole trottole che ruotano intorno ad un asse. Questa immagine però può essere sviante poiché le particelle non hanno un asse ben definito. Che cosa ci dice realmente lo spin di una particella è quale aspetto essa abbia vista da direzioni diverse. Una particella di spin 0 è come un punto. Essa appare sempre uguale da qualsiasi direzione la si guardi. La particella di spin 1 è invece come una freccia: essa ci presenta aspetti diversi se guardata da direzioni diverse; la particella riprenderà lo stesso aspetto solo dopo una rivoluzione completa (di 360 gradi). Una particella di spin 2 è come una freccia con due punte, una a ciascuna estremità; essa riprenderà lo stesso aspetto solo dopo aver compiuto una semirivoluzione (di 180 gradi). Inoltre esistono particelle che non tornano ad avere lo stesso aspetto dopo una rivoluzione completa, bensì solo dopo due rivoluzioni complete; queste particelle si dice che hanno spin ½.

Tutte le particelle note nell'universo possono essere suddivise in due gruppi: particelle di spin ½ che compongono tutta la materia nell'universo, e particelle di spin 0,1 e 2 che danno origine alle forze che si esercitano fra le particelle di materia Le particelle portatrici di forze scambiate tra particelle materiali vengono dette particelle virtuali in quanto a differenza delle particelle reali non possono essere scoperte direttamente mediante un rivelatore di particelle.

Le particelle virtuali possono essere raggruppate in quattro categorie a seconda dell'intensità della forza che trasportano e delle particelle con cui interagiscono.

La prima categoria è la forza gravitazionale, che viene trasportata da una particella spin 2 detta gravitone. Questa particella non è dotata di massa, cosicchè la forza che essa trasporta ha un grande raggio di azione.

La categoria successiva è quella della forza elettromagnetica, molto più intensa della forza gravitazionale; essa viene attribuita allo scambio di un gran numero di particelle virtuali prive di massa di spin 1 chiamate fotoni.

La terza categoria è chiamate la forza nucleare debole, la quale è responsabile della radioattività che agisce su tutte le particelle di spin ½ ; essa è trasportata da tre particelle di spin 1 note come bosoni vettoriali dotati di massa. Di questa categoria parleremo più accuratamente in seguito.

La quarta categoria è la forza nucleare forte, che tiene assieme i quark nel protone e nel neutrone, e che lega assieme i protoni ed i neutroni nel nucleo dell'atomo. Si ritiene che questa forza sia trasportata da una particella di spin 1 chiamata gluone (dall'inglese glue, colla). La forza nucleare forte ha una curiosa proprietà chiamata confinamento: essa lega sempre assieme delle particelle in combinazioni che non hanno alcun colore. Un quark rosso deve essere unito ad un quark verde e ad un quark blu da una sequenza di gluoni (rosso+verde+blu=bianco). Una tale tripletta costituisce un protone o un neutrone. Un'altra possibilità è data da una coppia formata da un quark e un antiquark (rosso+antirosso=bianco): così sono composti i mesoni, particelle molto instabili. Similmente, il confinamento impedisce che si possa avere un singolo gluone a sé, perché anche i gluoni hanno un colore (ad es. un quark rosso può mutare in un quark blu emettendo un gluone rosso/anti-blu) . Si deve avere invece una collezione, una stringa di gluoni i cui colori si sommino a dare il bianco. Una tale collezione forma una particella instabile detta glueball.

Quando le particelle sono tenute assieme dall'interazione elettrica, l'energia potenziale di legame diminuisce rapidamente quando esse si allontanano. Se si fornisce abbastanza energia ad una particella, essa può liberarsi completamente dal legame; ma con una stringa di gluoni la cosa è diversa: sforzare una stringa gluonica è come tirare un elastico, non si fa meno fatica a tirarlo via via che lo tiri; inoltre come un elastico può spezzarsi.

La stringa dei gluoni è capace di assorbire sempre più energia man mano che i quark si allontanano e la stringa si tende. Si arriva ad un punto che l'energia immagazzinata nella stringa diventa maggiore di quella necessaria per creare una coppia quark -antiquark. Così al posto del sistema originario composto da tre quark, si creano due sistemi separati, uno fatto da tre quark ed uno fatto da un quark ed un antiquark. Questo accade regolarmente e non vengono mai prodotti quark liberi.

Anche se i quark non possono sfuggire dalle particelle all'interno delle quali sono legati, possono mutarsi da un tipo all'altro. Ciò è causato dalla forza nucleare debole (a cui ho accennato qualche paragrafo fa). Essa è in grado di mutare un quark giù o un quark strano in un quark su. Nel corso del processo la carica elettrica del quark viene cambiata ed il surplus di carica vienetrasportato via da un bosone. Questa carica può venire poi consegnata a due particelle di nuova creazione, cioè ad un elettrone e ad una particella chiamata antineutrino. Ciò avviene nel processo di decadimento nucleare b, nel corso del quale un nucleo radioattivo emette un elettrone veloce.

Bibliografia:

Stephen Hawking, DAL BIG BANG AI BUCHI NERI;

Robert Gilmore, ALICE NEL PAESE DEI QUANTI;

Le Scienze n.349, LA SCOPERTA DEL QUARK TOP;

Le scienze n.366, LE GLUEBALL.