QUARK - CLASSIFICAZIONE DELLE PARTICELLE

QUARK

GENERALITÀ

DEFINIZIONE

I progressi della fisica hanno permesso di guardare la struttura della materia su scala sempre più ridotta. Nel corso di questo processo di avvicinamento si è visto che le molecole sono composte da atomi, che gli atomi sono fatti di elettroni e nuclei e che i nuclei contengono protoni e neutroni. Ma anche che neutroni e protoni non sono oggetti elementari, ma risultano costituiti da particelle denominate quark.

Allo stato attuale delle conoscenze i quark sono considerati indivisibili e fanno parte perciò della ristretta schiera delle particelle elementari. Proprio perché si occupa della struttura intima del nucleo, la fisica delle particelle elementari è anche detta subnucleare. Un'altra denominazione spesso utilizzata è quella di fisica delle alte energie. Essa trae origine dal fatto che per scindere le particelle complesse nei loro costituenti elementari sono necessarie energie molto elevate, raggiungibili solo in potenti macchine acceleratrici.

Col termine particelle elementari si indicano i costituenti ultimi della materia. Secondo il modello standard, tutte le particelle elementari vanno pensate come pacchetti di energia, o quanti, di vari tipi di campi. Un campo, come quello elettrico o quello magnetico, è una zona dello spazio i cui punti sono tutti contraddistinti dai valori di una grandezza fisica. Ebbene, esiste un tipo di campo per ogni specie di particella elementare: un campo elettronico i cui quanti sono gli elettroni; un campo elettromagnetico i cui quanti sono i fotoni. Non c'è invece un campo associato ai nuclei atomici o alle particelle (protoni e neutroni) di cui è composto il nucleo, ma esistono campi i cui quanti sono i diversi tipi di quark.

SCOPERTE

Nel 1895 il fisico inglese Joseph John Thomson scoprì la prima particella elementare, l'elettrone. Nel 1923 il fisico americano Arthur Holly Compton dimostrò sperimentalmente l'esistenza fisica dei quanti di luce, i fotoni. Cinque anni più tardi, Paul Dirac predisse l'esistenza del positrone o antielettrone, l'elettrone di carica positiva. Particella che fu trovata nella radiazione cosmica con un esperimento condotto da Carl David Anderson, Patrick Blackett e Giuseppe Occhialini nel 1932. Nel 1935, sempre analizzando i raggi cosmici, vennero individuati il muone di carica elettrica positiva e la sua antiparticella, il muone negativo. Inoltre, nel 1930 Wolfgang Pauli aveva predetto l'esistenza di una particella denominata neutrino, poi scoperta nel 1956 da Frederick Reines.

In quegli anni le ricerche di Robert Hofstadter suggerirono che i costituenti del nucleo atomico, protoni e neutroni, non dovessero essere considerati puntiformi ma piuttosto oggetti complessi. Osservazioni effettuate nel 1969 allo Stanford Linear Accelerator Center fecero ritenere che essi fossero costituiti da oggetti a loro volta indivisibili e puntiformi, i quark. Questa idea era stata introdotta nel 1963 da Murray Gell-Mann e George Zweig, che predissero inoltre l'esistenza di tre tipi diversi di quark.

Negli anni Sessanta, grazie allo sviluppo degli acceleratori, l'elenco di nuove particelle subatomiche scoperte dai fisici si allungò notevolmente. Perciò divenne importante comprendere se esistesse un struttura ordinata in cui poterle collocare. Fu quello che fecero nel 1968 Sheldon Glashow, Abdus Salam e Steven Weinberg con il cosiddetto modello standard, che finora è risultato in accordo con le osservazioni sperimentali. Nella teoria di Glashow, Salam e Weinberg, le particelle e le forze osservate in natura si ottengono combinando pochi ingredienti. Le entità elementari sono i quark e i leptoni. Le particelle che trasportano le forze fondamentali sono invece il fotone per la forza elettromagnetica, i bosoni W⁺, W^- e Z per la debole, i gluoni per l'interazione forte. Il modello standard non fa previsioni circa l'interazione gravitazionale, ma si suppone che debba esistere una ulteriore particella, il gravitone, a cui è associato il campo gravitazionale.

Nel 1974 Burton Richter e Sam Ting scoprirono un quarto quark, quello denominato 'incanto' e previsto da Glashow, Illiopulos e Luciano Maiani. Nove anni dopo i ricercatori del CERN di Ginevra guidati da Carlo Rubbia osservarono per la prima volta le tre particelle responsabili della interazione debole, W , W e Z . Infine nel 1994 dal Fermilab - il laboratorio di fisica delle alte energie in prossimità di Chicago che dispone di uno dei più potenti acceleratori del mondo, il Tevatron - è giunto l'annuncio della scoperta dell'ultimo degli elementi del modello standard, il quark top.

CLASSIFICAZIONE DELLE PARTICELLE

Per poter comprendere le relazioni esistenti tra le molte particelle subatomiche è necessario innanzitutto catalogarle in base alle loro caratteristiche, quali la massa atomica, la carica elettrica e lo spin.

La massa di una particella varia a seconda del suo stato di moto. Nel caso delle particelle elementari si fa però riferimento alla loro massa di quiete. Ci sono particelle relativamente pesanti, come il mesone t che ha una massa di quiete di 1850 MeV e altre, come per esempio il fotone, che hanno massa di quiete zero. Anche se può sembrare paradossale, questi oggetti non sono mai in quiete: proprio la loro massa nulla implica che essi si muovano sempre alla velocità della luce.

La carica elettrica unitaria è per convenzione quella dell'elettrone, a cui viene assegnato un valore negativo (-l). In natura la carica elettrica è sempre un multiplo intero di questo valore unitario.

Lo spin delle particelle può assumere valori multipli di 1/2. Così il fotone ha spin 0, elettrone, protone e neutrone hanno spin 1/2 ed esistono particelle con spin 3/2 o 2.

Proprio in base al valore dello spin si opera una prima drastica divisione delle particelle in due classi: quelle con spin intero (0, 1, o 2) vengono dette bosoni, dal nome del fisico indiano Satyendra Nath Bose, mentre quelle caratterizzate da spin semintero (1/2 o 3/2) vengono dette fermioni, dal nome di Enrico Fermi. Bosoni e fermioni si comportano in modo molto diverso. I fermioni sono soggetti al principio di esclusione di Pauli secondo il quale due particelle identiche di spin semintero non possono occupare lo stesso stato quantistico.

Oltre alle caratteristiche intrinseche appena elencate, per una corretta catalogazione delle particelle subatomiche risulta essenziale la conoscenza delle interazioni fondamentali cui partecipano. La forza gravitazionale interagisce con tutte le particelle dotate di energia, anche quelle prive di massa di quiete. Anche l'interazione debole opera su tutte le particelle. Quella elettromagnetica agisce invece solo su particelle dotate di carica elettrica non nulla o momento magnetico. Infine l'interazione forte, introdotta per spiegare la coesistenza di protoni e neutroni nei nuclei atomici, agisce solo su una particolare classe di particelle dette adroni. L'insieme delle particelle non soggette all'interazione forte prende il nome di leptoni.

LEPTONI

Come suggerisce il loro nome (dal greco 'cosa leggera') i leptoni hanno una massa relativamente piccola. Fa eccezione il mesone t, che pesa 3700 volte più dell'elettrone. I leptoni si presentano come oggetti indivisibili, privi di struttura interna. Sono cioè particelle elementari. Hanno tutti spin 1/2 e rientrano perciò nella categoria dei fermioni. Inoltre possono avere carica elettrica o esserne privi. Il primo leptone a essere stato scoperto è l'elettrone. Per questo è anche quello conosciuto meglio.

Un secondo leptone è il neutrino. Il nome comunica immediatamente due sue caratteristiche importanti, la leggerezza e l'assenza di carica elettrica. I neutrini non sono soggetti all'interazione forte e all'interazione elettromagnetica, le interazioni che tengono insieme rispettivamente i nuclei e gli atomi. Ecco perché un neutrino può attraversare indisturbato spessi strati di materia. Questa 'insensibilità' rende difficile la rivelazione dei neutrini e ha ritardato la loro scoperta, avvenuta soltanto quando, grazie ai reattori nucleari, se ne sono prodotti in quantità enormi. Non è ancora chiaro quanto valga la massa del neutrino. Certamente ha un valore molto piccolo, se confrontato con quello delle altre particelle elementari. Un valore che non dovrebbe discostarsi di molto dallo zero. Determinare il peso dei neutrini rappresenta uno dei traguardi più ambiti della fisica delle particelle. Si ritiene infatti che l'universo sia popolato da un numero assai elevato di neutrini (secondo alcune teorie ce ne sono un miliardo per ogni elettrone) e il valore della loro massa è di estrema importanza per le sue implicazioni cosmologiche. Se un neutrino pesasse un decimillesimo di quanto pesa l'elettrone, la massa complessiva dell'universo sarebbe tale che la forza gravitazionale finirebbe per determinarne il collasso tra alcune decine di miliardi di anni.

Un altro leptone è il mesone m o muone. Assomiglia molto all'elettrone: ha la stessa carica elettrica, lo stesso spin ed è soggetto alle stesse interazioni. Ha però una massa maggiore ed è una particella instabile: la sua esistenza, quando è in quiete, dura solo due milionesimi di secondo. Trascorso questo intervallo di tempo si trasforma in un elettrone e in una coppia di neutrini.

Infine la particella t che, nonostante la sua grande massa, si comporta in modo del tutto analogo all'elettrone e al muone.

Per completare il quadro dei leptoni, occorre precisare che i neutrini non sono tutti dello stesso tipo. Esistono il neutrino elettronico, il neutrino muonico e il neutrino tauonico. Pur essendo molto simili si presentano in situazioni diverse perché corrispondono ai tre diversi leptoni carichi. Così il neutrino elettronico e quando, per esempio nel corso di un decadimento beta, viene generato un elettrone; analogamente gli altri tipi di neutrini accomnano la creazione di muoni e particelle t. Con questa distinzione tra i neutrini si porta a sei il numero di leptoni: elettrone, muone, mesone t, neutrino elettronico, neutrino muonico e neutrino tauonico.

ADRONI E QUARK

Al numero relativamente basso di leptoni si contrappone la folta schiera degli adroni, le particelle soggette all'interazione forte. I due adroni più noti sono i costituenti del nucleo atomico, il protone e il neutrone. Le altre centinaia di adroni scoperti a partire dagli anni Cinquanta sono caratterizzati da una elevata instabilità che li porta a decadere dopo tempi inferiori al milionesimo di secondo. Se si ordinano gli adroni noti in base alla loro massa, alla carica elettrica e allo spin, emergono simmetrie che lasciano intravedere l'esistenza di relazioni tra le varie particelle. In passato l'aspirazione dei fisici teorici di individuare i pochi ingredienti elementari che danno vita al nostro universo si è scontrata con l'elevato numero di adroni presenti in natura. Finché non è stata proposta una teoria secondo la quale ogni adrone è costituito da due oppure tre particelle più piccole: i quark.

Per giustificare l'esistenza di tanti adroni diversi furono introdotti tre tipi di quark, caratterizzati da tre diversi 'sapori': i quark su (u dall'inglese up), giù (d da down), strani (s da strange). Così, per esempio, il protone risulta composto da un quark giù e due su, mentre il neutrone è composto da un quark su e due giù. Poiché i protoni hanno carica elettrica unitaria (cioè pari a quella dell'elettrone) i quark che li costituiscono sono caratterizzati da carica frazionaria: i quark su hanno carica 2/3, i quark giù carica -l/3. I quark sono fermioni perché hanno tutti spin 1/2. La loro massa non è ben nota anche se si sa che il più pesante è lo strano.

La struttura a quark degli adroni fa luce su molti fenomeni della fisica subnucleare. Per esempio è possibile descrivere il decadimento beta di un neutrone in termini di trasformazioni di quark. Ricordiamo che gli adroni, e dunque i quark che li compongono, si distinguono per essere soggetti all'interazione forte. Tuttavia sono sensibili anche all'interazione debole, quella responsabile del decadimento beta. In questo processo un neutrone si trasforma in un protone emettendo un elettrone e un antineutrino. Si è detto che il neutrone contiene due quark giù e un quark su, mentre il protone è fatto di un quark giù e due su. Perché si abbia la trasformazione è necessario che uno dei quark giù del neutrone divenga un quark su. Questo è possibile grazie alle interazioni deboli. Il passaggio da quark giù a quark su comporta una variazione di carica elettrica di una unità (si passa da -l/3 a 2/3). Perché la carica elettrica complessiva del processo rimanga invariata si ha la generazione di un elettrone.

Oltre ai sapori su, giù e strano, ne sono stati introdotti altri per spiegare l'esistenza di alcuni adroni scoperti negli anni Settanta. Il quadro completo comprende il quark incanto (indicato con la lettera c da charm), il quark basso (b da bottom) e il quark alto (t da top).

IL MODELLO STANDARD

Esistono dunque sei quark di tipo diverso, così come sono sei i leptoni: elettrone, muone, particella t e rispettivi neutrini. Per i fisici teorici questa analogia non è casuale. Al contrario, il fatto che tutta la materia dell'universo sia il risultato della combinazione di dodici entità elementari è incoraggiante. Se poi ci si limita alla materia più comune, le particelle fondamentali coinvolte sono solo quattro: i quark u e d, che costituiscono protoni e neutroni, l'elettrone e il suo neutrino.

Il modello standard, la teoria che ha avuto grande successo nel mettere ordine nella fisica subnucleare, raggruppa in un unico schema le dodici entità elementari. L'idea è che leptoni e quark, nonostante differiscano sostanzialmente per il loro comportamento rispetto all'interazione forte, si associno a coppie. Per esempio l'elettrone e il neutrino elettronico fanno parte della stessa famiglia a cui appartengono i quark su e giù. La seconda famiglia è costituita da muone, neutrino muonico, quark incanto e quark strano. La terza da particella t, neutrino tauonico, quark basso e quark alto. Le tre famiglie si assomigliano molto anche se differiscono per il peso degli individui che le compongono. La prima contiene le particelle più leggere, la terza quelle più pesanti.

In teoria potrebbero esistere altre famiglie, contenenti leptoni e quark più pesanti di quelli attualmente noti. La loro scoperta sarebbe ostacolata proprio dalla loro massa elevata (e in definitiva dall'energia necessaria alla loro produzione). In realtà ci sono considerazioni di carattere cosmologico che inducono a scartare questa ipotesi. Calcoli relativi alla massa dell'universo e ai processi nucleari che si sono verificati nei suoi primi istanti dopo il Big Bang fanno ritenere che non esistano più di tre tipi di neutrini, ovvero tre famiglie di particelle.

Va detto infine che lo schema del modello standard ha un suo corrispettivo nel mondo dell'antimateria. Infatti, come contemplato dalla meccanica quantistica, per ogni particella esiste un'antiparticella, una sorta di negativo in cui tutte le caratteristiche (come per esempio la carica elettrica) sono invertite. Anche se il nostro universo è fatto sostanzialmente di materia, può accadere di imbattersi in un antielettrone o in un antiprotone (ovviamente fatto di antiquark).

LE PARTICELLE MESSAGGERE

L'elenco di leptoni e quark (e delle rispettive antiparticelle) non comprende tutte le particelle elementari previste dal modello standard. Oltre a descrivere gli ingredienti della materia (e dell'antimateria), il modello standard si occupa infatti delle interazioni fondamentali e delle entità che ne permettono la proazione nello spazio: le particelle messaggere. Secondo la fisica quantistica dei campi, quando due particelle interagiscono si scambiano particelle messaggere. E' come se due individui si lanciassero ripetutamente una palla. Il via vai della palla costituisce un'interazione tra le due persone, interazione condizionata dalle caratteristiche della palla stessa. Se per esempio il suo peso è elevato i due individui non potranno lanciarsela stando molto distanti. Al contrario, se la palla non ha peso lo scambio può avvenire, in linea di principio, anche a distanza infinita. Qualcosa di analogo accade nel caso delle interazioni fondamentali. La forza elettromagnetica che si esercita tra un elettrone e un protone (che hanno carica elettrica di segno opposto) consiste in un continuo scambio di fotoni. Il raggio d'azione dell'interazione elettromagnetica è infinito perché la particella che è responsabile della sua proazione, il fotone, ha massa nulla. Lo stesso vale per la forza gravitazionale la cui particella messaggera, il gravitone, non è stata ancora scoperta. Le interazioni deboli sono invece trasportate dalle Z , W e W , particelle relativamente pesanti che perciò hanno un raggio d'azione limitato. Infine l'interazione forte che, pur mostrando analogie con la forza elettromagnetica, risulta più complessa da descrivere. Per farlo sono state introdotte ben otto particelle messaggere prive di massa che viaggiano da un quark all'altro incollandoli in gruppi di due o di tre, i gluoni.

Fotoni, gravitoni, Z , W , W e gluoni hanno spin intero, sono cioè dei bosoni, e fatta eccezione per il W e il W non hanno carica elettrica.