Particelle e campi elementari
Un file scritto tanti anni fa e che ho messo in rete per ragioni sentimentali : http://www.elegio.it/mp3/quark1994.html
G.Bottoni 1/6/94
I campi elementari associati a particelle individuate sperimentalmente sono il campo elettromagnetodebole e il campo gluonico (da glue == colla). Il campo gravitazionale, descritto dalla teoria della relatività generale, agisce con forza debolissima su tutto ma non è stato ancora rivelato in forma corpuscolare_ondulatoria ossia non è stato ancora possibile individuare sperimentalmente un gravitone ossia un'onda gravitazionale.
Il campo elettromagnetodebole è caratterizzato da quattro bosoni, il fotone γ , neutro e di massa nulla (la normale luce capace di percorre e agire a distanze grandissime) e tre bosoni pesanti ossia i bosoni W+ e W− dotati di carica elettrica e il bosone Z0 neutro che, viceversa, hanno raggio d'azione cortissimo ed agiscono solo nelle immediate vicinanze delle particelle elementari. I bosoni pesanti si comportano in modo analogo alla luce fotonica ma la loro forza è molto più debole, da cui deriva il nome del campo, descritto da equazioni che sono una generalizzazione del campo elettromagnetico, in complesso si parla di campo elettromagnetodebole. Le masse dei bosoni pesanti sono elevatissime, circa 159·000 volte quella del comune elettrone per le W+ e W− e addirittura 186·000 quella dell'elettrone per la Z0. Il campo gluonico che agisce soprattutto nel nucleo degli atomi impedendo che si disgreghino per la repulsione elettromagnetodebole, è costituito da bosoni Ga carichi di un particolare tipo di carica detta carica colorata. I colori fondamentali sono tre (campo rosso, verde e blu). Come i bosoni W+ e W− (e al contrario del fotone e della Z0 ) anche i gluoni sono carichi della loro carica e siccome la carica dei gluoni è colorata ci sono tre per tre = nove gluoni anche se uno dei nove può essere trascurato nei calcoli. Tutti i campi sono costituiti da particelle così dette bosoniche ossia sono descritti, nella meccanica quantistica, da una funzione d'onda simmetrica rispetto allo scambio delle coordinate di particelle uguali.
Le particelle elementari note sono quattro, il neutrino, l'elettrone il quarkino e il quarkone. Le particelle elementari sono fermioni cioè sono descritti da una funzione d'onda antisimmetrica rispetto allo scambio delle coordinate di particelle uguali. Le particelle elementari sono soggette a tre diversi stati detti di "sapore" ossia si manifestano in forma trina. Storicamente le tre famiglie sono individuate da nomi che non mettono in rilievo il fatto che i sapori sono una trinità. Dato che le tre famiglie posseggono masse molto diverse esse sono state scoperte progressivamente, mano a mano che cresceva la potenza degli acceleratori. La scoperta che i sapori formano una trinità è recente ed è per questo che non si è subito fatto ricorso ad una analogia del mondo macroscopico implicante l'idea della trinità. Per quanto riguarda i sapori dell'elettrone si ha l'elettrone "elettronico" ossia l'elettrone leggero, quello muonico, intermedio, e quello tauonico pesante, associati ai simboli rispettivamente e, μ (pronuncia mu) e τ (pronuncia tau). I sapori del neutrino sono il neutrino elettronico νe, il neutrino muonico νμ e il neutrino tauonico ντ . I quark sono sempre stati considerati a coppie (quarkino/quarkone) data la capacità di un quarkino (carica negativa) di decadere in un quarkone (carica positiva) e viceversa. La famiglia meno pesante di quark è associata alla coppia su e giù (simboli u da up di carica 2/3 e d da down di carica −1/3) la famiglia intermedia è associata alla coppia fascino e strano (simboli c da charm di carica 2/3 e s da strange di carica −1/3) e la famiglia pesante è associata alla coppia cima e fondo (simboli t da top di carica 2/3 e b da bottom di carica −1/3). Si noti che i quark non sono mai stati rivelati singolarmente ma sempre a terne o multipli di una terna o a coppie quark-antiquark chiamati mesoni. La carica elettrica di un elettrone è uguale a quella di tre quarkini; l'unione di due quarkini ed un quarkone leggeri forma una particella neutra detta neutrone mentre l'unione di due quarkoni ed un quarkino leggeri forma la particella detta protone, con massa di circa 1·836 volte quella dell'elettrone e, carica opposta a quella di un elettrone e che, legata elettromagneticamente ad un elettrone, forma l'atomo di idrogeno.
Dal punto di vista sperimentale la documentazione più ricca riguarda le combinazioni a terna o a coppia delle famiglie più leggere. Sono possibili molte associazioni a partire dai mesoni più leggeri ossia i mesoni π+ (coppia su-antigiù) π− (coppia giù-antisu) e π0 (coppia su-antisu o giù-antigiù) pesanti solo circa 270 volte l'elettrone e. Il mesone più leggero del quark strano è il mesone K scoperto nel 1947, pesante circa 970 volte l'elettrone e, formato da varie coppie (strano-antisu carica, oppure strano-antigiù neutra). Prima degli anni 70 si pensava che esistessero solo tre sapori associati ai quark su, giù e strano. Nel 1974 si è trovato il primo mesone in cui compariva il quark fascino (la particella J o ψ ( http://it.wikipedia.org/wiki/Mesone_J/Psi ), di circa 6·100 masse dell'elettrone e, che ha avuto nomi diversi perchè scoperta da due gruppi contemporaneamente). Sono noti anche mesoni misti (fascino-antigiù) e barioni (fascino-su-giù). Successivamente, nel 1977, si è trovato il mesone ϒ, di circa 18·500 masse dell'elettrone e, che è composto dal quark fondo e, solo nel 1994, sembra si sia finalmente trovato un mesone del quark cima, pesante ben 680·000 masse dell'elettrone e, quando però è ormai chiaro, dal modo in cui decade il bosone Z0, che le famiglie sono solo tre con due quark (quarkino e quarkone) in ognuna.
Per sottolineare la natura trina dei sapori si potrebbero dedicare le famiglie ad una trinità divina, in modo da ribadire la natura fondamentale, anzi sacra, delle famiglie stesse. Oltre alla ovvia trinità cristiana del Padre, Figlio e Spirito Santo, molto forte ma anche solo "al maschile" si potrebbe pensare alla trinità induista di Brahma, Siva e Visnu che ha la versione femminile di Laksmi, Kali e Sarasvati con l'accortezza di dedicare a Visnu (e Sarasvati o Gauri) la famiglia più leggera e più stabile appunto perchè Visnu è il dio della conservazione; a Siva e Kali, dei della distruzione e del rinnovamento, sarebbe dedicata la famiglia intermedia mentre a Brahma e Laksmi, dei della creazione, spetterebbe la famiglia pesante. Nell'ambito della antichità classica si potrebbe pensare alla terna delle dee del giudizio di Paride ossia Era (Giunone), Athena (Minerva) ed Afrodite (Venere) che hanno il loro corrispettivo in Zeus (Giove), Efesto (Vulcano) ed Ares (Marte). Sarebbe logico dedicare le antiparticelle alla trinità femminile e le particelle alla trinità maschile. A Zeus-Era dedicherei la famiglia più leggera e più stabile e feconda, ad Athena-Efesto quella intermedia, scientifica e tecnica, e ad Ares-Afrodite dinamica passionale e colma di energie, quella più pesante.
Bibliografia
- R.R. Wilson "La prossima generazione di acceleratori di particelle", LE SCIENZE, Vol.XXIV,N.139, marzo 1980.(Gli oggetti più piccoli si possono osservare solo con gli strumenti più grandi.Per penetrare più a fondo nella struttura della materia occorreranno acceleratori costruiti in collaborazione da molte nazioni)
- M. Jacob e P. Landshoff "La struttura interna del protone", LE SCIENZE, Vol.XXIV, N.141, maggio 1980.(Un urto violento fra particelle, dando origine a un getto di frammenti, potrebbe rivelare alcuni oggetti piccoli e duri, forse le particelle chiamate quark, situati all'interno del protone)
- Gerard't Hooft "Le teorie di gauge", LE SCIENZE, Vol XXV,N.144, agosto 1980.(Le quattro forze fondamentali della natura vengono oggi descritte da teorie di questo tipo e le loro proprietà sono ricavate da simmetrie o da regolarità che compaiono nelle leggi fisiche)
- F.Wilczek "L'asimmetria cosmica tra materia e antimateria", LE SCIENZE, Vol XXVI, N. 150, febbraio 1981.(Sembra che l'universo sia oggi composto quasi interamente di materia. Gli studi condotti nel campo della cosmologia e della fisica delle particelle suggeriscono una spiegazione soddisfacente del fenomeno)
- D.B.Cline, C.Rubbia e S. van der Meer "Alla ricerca dei bosoni vettori intermedi", LE SCIENZE, Vol XXVIII,N. 165, maggio 1982.(È probabile che presto queste particelle pesanti, previste dalla teoria come portatrici della forza nucleare debole, possano venir rivelate fra i frammenti di collisione tra protoni e antiprotoni)
- E.D. Bloom e G.J. Feldman "Il quarkonio", LE SCIENZE, Vol. XXIX, N. 167, luglio 1982.(Un "atomo" formato da un quark pesante e da un antiquark costituisce il miglior sistema a disposizione per studiare le forze che tengono legati i costituenti elementari delle particelle subnucleari)
- K. Ishikawa "Glusfere", LE SCIENZE, Vol. XXX, N. 173, gennaio 1983.(Sembra che alcuni di questi "atomi di colore", costituiti da gluoni, le particelle che tengono uniti i quark con la forza di colore, siano stati rivelati in esperimenti ad alta energia)
- C.Rebbi "Reticoli e confinamento dei quark", LE SCIENZE, Vol XXX, N. 176, aprile 1983.(La forza tra i quark in una particella come il protone è stata simulata approssimando la struttura dello spazio-tempo con un reticolo discreto: i risultati suggeriscono perchè non è possibile isolare un quark libero)
- N.B.Mistry,R.A.Poling e E.H.Thorndike "Particelle dotate di bellezza nuda", LE SCIENZE, Vol XXXI, N. 181, settembre 1983.(Il quinto quark, che incorpora il sapore chiamato bellezza, è stato ora visto in combinazione con un antiquark di sapore differente. Viene così evidenziata la bellezza delle nuove particelle composte)
- C. Quigg, "Particelle elementari e forze", LE SCIENZE, Vol.XXXIV, N. 202, giugno 1985.(Per i costituenti fondamentali della materia e per le forze che la governano va emergendo una visione coerente, che comprende teorie disparate, ma forse unificabili in una descrizione esauriente degli eventi naturali)
- J.M.LoSecco, F. Reines e D. Sinclair, "La ricerca del decadimento del protone", LE SCIENZE, Vol.XXXV, N. 204, agosto 1985,.(E' tuttora in corso perchè l'evento non è stato fin qui osservato, anche se i fisici tengono sotto controllo un rivelatore sotterraneo di 8000 tonnellate in attesa di un qualche segnale che confermi che la materia ha durata finita).
- D.N.Schramm e G. Steigman, "Gli acceleratori di particelle verificano la teoria cosmologica", LE SCIENZE,Vol. XLI, N. 240,agosto 1988.(Esiste un limite al numero di particelle elementari? Gli acceleratori di particelle saranno fra breve in grado di rispondere a questa domanda, sorta dallo studio dei prodotti della nucleosintesi primordiale)
- S.Myers ed E. Picasso, "L'anello di collisione LEP", LE SCIENZE, Vol.XLV, N. 265, settembre 1990. (Si prevede che questo grande anello di accumulazione elettroni-positroni produrrà milioni di particelle Z0, consentendo di verificare le attuali teorie di fisica delle particelle e forse anche di scoprire fenomeni del tutto nuovi)
- G.J.Feldman e J. Steinberger, "Il numero di famiglie della materia", LE SCIENZE, Vol.XLVI, N. 272, aprile 1991.(Dagli esperimenti condotti al CERN a allo SLAC per studiare il decadimento della particella Z0 in collisioni elettrone-positrone è emerso che nell'universo sono solo tre le famiglie di particelle fondamentali)
Nuovi indirizzi...
In onore della recente (1994) scoperta sperimentale del quark cima (top): poesia sul fisico delle Alte Energie:
Da Cima a Fondo gode
Per il Fascino Strano
D’andare in Su e Giù