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Breve
Storia della Fisica delle Particelle
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Antiparticelle e negazione
Un'antiparticella
è simbolizzata con una barretta come il simbolo logico della negazione:
il p (p barrato) che
è il simbolo dell'antiprotone si scrive come il non-A (A)
della logica.
il
non-essere della logica hegeliana è un vuoto definito da ciò
che lo circonda, come la negazione del vaso sulla tavola è in realtà
la tavola senza il vaso; è l'infinito meno l'essere.
Secondo
l'idea delle buche di Dirac, un urto energico è capace di strappare
un elettrone dal suo oceano di energia negativa e di portarlo a un livello
di energia rivelabile fisicamente. Da una parte si ha quindi un elettrone
isolato e dall'altra la buca che ha lasciato e che si comporta come un
non-essere dato che è descritto solo dall'infinito dell'oceano negativo
privato dell'elettrone che gli è stato strappato; e quando un altro
elettrone incontrerà questa buca la cui forma gli corrisponde, andrà
ad annichilarvisi. Ecco quindi la definizione di antimateria: essere creata
assieme alla materia sorella ed essere una forma in cui quest'ultima andrà
a sparire.
Se
con un violento colpo di piccone fate uscire una pietra dal pavé,
vi sarà facile constatare che un veicolo sente sia il pavé
che il buco che vi è rimasto. Se sostituite la pietra, la strada
tornerà liscia e il pavé e il suo buco avranno perso la loro
esistenza, saranno annichilati. L'antipavè è il buco.
In
logica, il principio noto con il nome di "dualità" precisa che l'espressione
"A e B fanno C e D" è l'equivalente di "(A e B) e non-C fanno D",
il che significa che la tesi C, che era a destra nella prima espressione,
è equivalente all'anti-tesi C
posta a sinistra. Ritroveremo lo stesso principio in fisica poiché
la reazione A+B ®C+D
può essere scritta A+B+C
®
D, il che significa che la creazione della particella C è equivalente
alla scomparsa della sua antiparticella C
che risale il tempo. Se avete filmato il colpo di piccone, avreste visto
che il film si sarebbe potuto intitolare "Nascita di un pavé" o
"Sparizione di un buco" a seconda che lo proiettate all'indietro o in avanti.
E'
spesso interessante sapere se un'equazione valida per un protone lo è
anche per un antiprotone o, più in generale, se un'equazione valida
per una particella resta valida anche per la sua antiparticella. L'operazione
che permette di trasformare idealmente, e quindi in modo del tutto ipotetico,
una particella nella sua antiparticella si chiama "coniugazione della carica"
ed è simbolizzata dall'operatore C che permette di scrivere
Cp = p o Ce-
= e+ . Qual è il risultato dell'operazione C? Secondo
il teorema di Under, massa e vita media restano identiche, mentre tutti
i numeri quantici sono cambiati di segno, una carica elettrica positiva
diviene negativa nell'antiparticella, il che permette di predire che l'antiprotone
ad esempio si comporterà come una particella negativa. Poiché
questi numeri sono per la maggior parte additivi, si comprende come il
sistema formato da una particella e dalla sua antiparticella dia una somma
nulla con l'eccezione delle masse che si sommano; ne risulta quindi solo
energia pura che potrà materializzarsi soltanto in forma di quanti
di campo (p, g o
altro) o di altre coppie associate particella-antiparticella.
Sono
state scoperte tutte le antiparticelle delle particelle conosciute
.
Il bevatrone al Lawrence Berkeley Laboratory nel 1955
Il
p0
, come il g ,
è l'antiparticella di se stesso, quella del p+
è il p-
e viceversa, come dimostrano considerazioni statistiche sui bosoni.
Però
il primo antiprotone artificiale fu scoperto solo nel 1955 grazie al sincrotrone
di Berkeley la cui energia massima di 6 GeV era stata appositamente
scelta a questo scopo, cioè proprio con la speranza di osservare
la reazione
p
+ p ® p
+ p + (p + p)
nel corso
della quale l'energia del protone accelerato si trasforma in una coppia
p p in vicinanza di un protone di uno dei nuclei del materiale scelto come
bersaglio. In generale infatti, per sperare di poter produrre una data
particella (o una data antiparticella), occorre che le particelle uscenti
dagli acceleratori e impiegate come proiettili abbiano un'energia cinetica
pari ad almeno la massa a riposo della particella (o antiparticella) che
si vuole produrre; questa energia minima si chiama "soglia di produzione".
La conservazione delle particelle
Non è
sorprendente notare come tutte le particelle instabili seguano vie di disintegrazione
che, per diminuzioni successive, le portano sia verso il protone sia verso
l'elettrone (con il suo neutrino associato), le sole due particelle stabili
del nostro universo?
Con
un'espressione che fu introdotta più tardi da Pais, il cammino che
porta al protone fu chiamato canale dei "barioni" (che sono particelle
"pesanti") e quello che termina con l'elettrone canale dei "leptoni" (che
sono particelle "leggere").
E'
quindi possibile ammettere che esistano due sole particelle elementari,
il barione e il leptone, e che tutte le altre siano soltanto rappresentazioni
di queste dipendenti dall'energia, il che viene a semplificare di molto
i nostri concetti eterocliti.
Perché
un barione segua la via barionica occorre supporre che qualcosa si conservi
durante le disintegrazioni, dato che un barione può nascere solo
da un barione, come un leptone non esce che da un leptone. Seguendo l'abitudine
già stabilita, e in analogia con la carica elettrica, per risolvere
questo problema basta introdurre un nuovo numero quantico additivo, completamente
arbitrario e senza rappresentazione obiettiva, che rimane attaccato a tutti
i barioni e che viene chiamato numero "barionico" (o carica nucleonica),
e postulare che questo numero si conservi durante le reazioni.
In
seguito e con il medesimo procedimento, potremo inventare un numero "leptonico"
che, fissato ai leptoni, seguirà le medesime leggi di conservazione.
Si può pensare allora che il protone e il neutrone in quanto barioni,
trasportino entrambi un numero barionico b = 1, mentre i leptoni,
come il muone, l'elettrone e i neutrini, abbiano numero leptonico l
= 1; tutti i membri di entrambe le catene sono anche a tutti gli effetti
fermioni di spin 1/2 e quindi obbediscono al principio di esclusione di
Pauli.
Solo
i fermioni, elementi della nostra materia in ciò che essa ha di
solido, finiscono in queste due particelle indistruttibili, il protone
e l'elettrone, seguendo le due vie fondamentali, come l'uomo segue il filone
umano e il cane resta di razza canina senza interferenza genetica tra i
due generi. Ma, come il guinzaglio lega il cane all'uomo, le due catene
sono collegate dai quanti di campo, mesoni o fotoni, tutti bosoni con spin
0, 1 o altro valore intero. Infatti, il mesone p
uscito da un protone si disintegra in un leptone, mentre il fotone permette
a protone ed elettrone di vedersi. Le due vie parallele seguite dai fermioni,
quella dei barioni e quella dei leptoni, sono perciò mutuamente
collegate dai bosoni p
o g.
In
base a tutte queste considerazioni il fisico è allora condotto a
formulare il seguente postulato che sembra regolare l'equilibrio della
materia del nostro universo: i bosoni sono in numero indeterminato e possono
nascere e morire durante le interazioni, mentre il numero totale dei fermioni
non cambia mai, e quando uno di essi scompare un altro appare.
Per
provare questo postulato occorre ammettere che l'apparizione di un'antiparticella
equivalga alla scomparsa della particella corrispondente, e quindi, se
i barioni hanno numero barionico b = + 1, ogni antibarione dovrà
avere b = - 1, come ogni antileptone dovrà avere numero leptonico
l
= - 1. Come si applica questa regola alla disintegrazione del neutrone
secondo la reazione n ® p
+ e- + ne
? La "corrente" barionica che va dal neutrone al protone conserva b
dato che b(n) = + 1 e che anche b(p) = + 1, mentre la "corrente"
leptonica che fa apparire un elettrone e un antineutrino conserva l,
dato che l (e- ) = + 1 e l (ne
) = - 1 danno un totale nullo. Quando diciamo che in tutte le reazioni
la corrente barionica e quella leptonica sono conservate, dicendo così
che il numero totale dei barioni o quello dei leptoni non può essere
cambiato, utilizziamo l'analogia con una corrente elettrica che è
un trasporto di cariche la cui quantità resta costante. E' sempre
l'antico principio di continuità generalizzato per le cariche
barioniche e leptoniche, la cui divergenza rimane in ogni caso sempre nulla.
Ciò
che resta costante nell'universo cosmologico è la differenza tra
la quantità dei fermioni e quella degli antifermioni, il che ci
permette di precisare che la materializzazione nel senso stretto del termine
è un nonsenso, poiché se l'energia è equivalente alla
materia secondo l'equazione di Einstein E = m c2
, nessuna materia leptonica o barionica può apparire da sola senza
essere accompagnata dall'antimateria che la nega, come accade nella fotoproduzione
di elettroni secondo la reazione g
® e- + e+
; ciò che si materializza è la massa. Questa spiegazione
ad
hoc permette di giustificare la stabilità del protone e l'impossibilità
della disintegrazione p ®
e+
+ g.
Le particelle strane
Studiando
i raggi cosmici con una camera di Wilson installata in alta montagna, il
gruppo di Leprince-Ringuet aveva fotografato nel 1944 la traccia di una
particella la cui massa non corrispondeva a nessuna di quelle già
conosciute.
La camera a nebbia di C.T.R. Wilson. 
A.
Manchester nel 1947 Rochester e Butler scoprono due curiosi eventi in cui
due tracce a forma di V sembrano uscire da uno stesso punto come
se rappresentassero i prodotti di disintegrazione di una particella misteriosa
di vita molto breve che venne chiamata particella V.
L'entrata
in funzione del primo sincrotrone di Brookhaven permise di produrle in
abbondanza, ma si sapeva che esse non erano tutte identiche: Cosa si poteva
saperne?
1.
Alcune, dato che si disintegravano in protone e pione, dovevano essere
più pesanti dei protoni ed appartenere alla razza dei barioni; chiamate
"iperoni", furono indicate con lettere greche maiuscole. 2. Altre, più
leggere, si disintegravano in pioni o leptoni; furono chiamate mesoni K.
3. La loro vita media, per quanto breve, era misurabile (tra 10-8
e 10-10
s). 4. Apparivano nel corso di interazioni del tipo nucleare. 5. Alcune
si disintegravano in altre particelle V e avevano quindi l'aspetto di una
cascata di V.
Un
vecchio principio di meccanica quantistica, la micro-reversibilità
del tempo, prevede che una reazione possa sempre avvenire nei due sensi,
con la stessa velocità e le stesse formule, con tutte le altre caratteristiche
che restano uguali.
La
creazione di una particella V è un evento che sembra prodursi all'interno
della portata delle forze nucleari, quindi in un tempo inferiore a 10-23
s, mentre la sua disintegrazione secondo la stessa via dura 10-10
s, come se la particella, una volta prodotta, si trovasse "intrappolata"
in questo stato: la durata di vita è infatti un milione di miliardi
di volte più lunga di 10-23
s. Di due reazioni apparentemente simili e simmetriche, una era rapida
p + p-®
V0
+ . ., mentre l'altra V0®
p
+ p-
era lenta. Si trattava di un fenomeno molto strana, onde il nome.
Dopo
parecchie ipotesi infruttuose, Pais e poi Nishijima e Gell-Mann scopersero
che esse non erano identiche, poiché non era possibile, nella prima,
trascurare ciò che era prodotto contemporaneamente alla particella
strana. Le V dovevano essere prodotte non isolatamente ma in coppie associate
secondo un processo nucleare e quindi molto rapido; una volta isolate e
lasciate a se stesse non potevano che disporre di modi assai deboli per
disintegrarsi.
 Murray
Gell-Mann (1929)
Ma
non abbiamo già visto delle produzioni di coppie associate? Nella
creazione di un antiprotone e di un protone in un processo nucleare, il
protone nasce in circa 10-23
s con una carica barionica b = + 1, mentre l'antiprotone assume
una carica opposta b = - 1, permettendo così alla corrente
barionica di questa creazione di restare nulla. Ma il protone lasciato
a se stesso nello spazio vuoto è dotato di questa carica barionica
di cui non può più sbarazzarsi se non incontrando per caso
un antiprotone vagabondo; è dotato di una stabilità forzata.
Per
analogia, gli scienziati furono portati a concludere che le particelle
strane si producevano in coppia nelle interazioni nucleari: l'una dotata
di un certo numero quantico positivo, di natura completamente sconosciuta
ma provato dall'esperienza, l'altra dotata di un numero opposto in modo
che il totale rimanesse nullo; lasciate a se stesse non potevano sbarazzarsi
di questo nuovo numero quantico se non tramite interazioni deboli e quasi
trascurabili in confronto ai potenti campi nucleari. La nuova carica quantistica
additiva ebbe il nome infelice di "stranezza" e fu indicata con la lettera
S; una partiva quindi con S = + 1 e l'altra con S = - 1.
Si
sa ora che le particelle strane sono nove, i tre iperoni S+
, S-
, S0
, con una massa di 1190 MeV, l'iperone neutro
L0
, con massa 1115 MeV, i due iperoni X-
, X0
, con massa 1320 MeV, l'iperone W-
, con massa 1680 MeV, i due mesoni K+ , K0
, con massa 497 MeV, con le loro nove antiparticelle.
appendice...
I quattro tipi di interazione
La natura
si sbizzarrisce a muovere i corpi per mezzo di quattro interazioni (o "accoppiamenti")
dette "forti" (o nucleari), "elettromagnetiche", "deboli" e "gravitazionali".
Queste
quattro forze differenti agiscono su cariche apparentemente indipendenti
ma portate dallo stesso elemento, la massa inerziale, che è in definitiva
il responsabile della meccanica del movimento. Dopo Eotvos ed Einstein,
sappiamo che la massa inerziale è equivalente alla carica gravitazionale,
il che dà alla gravitazione un carattere privilegiato, e inspiegabile,
nel regno delle forze. Ma quando si confrontano tra loro i valori delle
altre tre forze è necessario precisare su quale massa si misurano.
Gli
accoppiamenti nucleari
Sono forze
molto intense, ma con scarso raggio d'azione, che tengono assieme i protoni
e i neutroni all'interno del nucleo atomico e che sono responsabili delle
considerevoli energie della superchimica; sono anche presenti nelle reazioni
con mesoni p,
con nucleoni e nell'apparizione delle particelle strane. Soltanto i barioni
e i mesoni presentano interazioni forti e perciò per essi è
stato proposto il nome collettivo di "adroni".
Ci
si può immaginare il raggio d'azione considerando due uomini a braccetto:
l'interazione è forte ma il raggio corto, mentre quando si fanno
segno da lontano, la portata è grande ma l'interazione è
debole. La forza nucleare non può essere paragonata alla forza elettrica;
essa non varia seguendo la legge del quadrato della distanza, non è
diretta lungo l'asse che collega le particelle interagenti (si dice allora
che non è "centrale") e sembra inoltre dipendere dalla velocità,
dagli spin e dalle posizioni relative per cui ha un massimo di complessità.
Presenta però una profonda simmetria in quanto è la stessa
per ogni barione, qualunque sia la sua carica elettrica con la quale sembra
coesistere senza accoppiamento.
Gli
accoppiamenti elettromagnetici
Le forze
elettromagnetiche agiscono sulla carica elettrica trasportata da qualsiasi
particella carica, e la cui unità di misura è la carica dell'elettrone.
Nata con le leggi dell'elettromagnetismo e passata attraverso la scoperta
dei quanti, è una delle interazioni più antiche e da gran
tempo è noto che due cariche elettriche si attirano o si respingono
secondo il quadrato della distanza che le separa.
Sia
che si tratti di emissione di luce da un atomo, sia di un'onda radioelettrica
da un'antenna, un elettrone che subisce un frenamento o un'accelerazione
si trasforma in un elettrone più un fotone, secondo i processo fondamentale
schematizzato da e Û e
+ g che,
come abbiamo visto, deve essere reversibile, come è indicato dalle
frecce rivolte nelle due direzioni.
L'elettrone
può emettere il fotone solo in presenza di un'altra particella carica,
che lo assorbirà anche se l'energia non è conservata durante
il breve istante del processo virtuale, e l'elettrodinamica quantistica
sarà rappresentata da uno scambio di tali fotoni uscenti dall'accoppiamento
fondamentale. Lo stesso schema è applicabile a qualsiasi particella
carica, per cui è possibile scrivere ad esempio p Û
p
+ g.
Nell'accoppiamento
elettromagnetico le cariche sono conservate dato che alla fine della reazione
vi è altrettanta elettricità che all'inizio. La carica elettrica
si comporta quindi come una corrente elettrica che passa da una particella
all'altra senza aumentare né diminuire, e il suo valore è
dato da una costante adimensionale, detta "di struttura
fine" e spesso
indicata con a,
data da e2
/  c =
1 / 137 ; l'esiguità di questo numero permette di classificare le
interazioni elettromagnetiche tra gli accoppiamenti relativamente deboli.
Gli
accoppiamenti di Fermi
La disintegrazione
b
del neutrone, schematizzata da n ®
p
+ e- + ne
, avviene tramite un'interazione debole, detta anche "accoppiamento di
Fermi".
L'intensità
di questo accoppiamento è individuata da G nella formula
G
M2 /
c = 10-5
in cui M è la massa del protone. Il rapporto tra le interazioni
forti e quelle deboli è 1013
, il che permette di trascurare sempre le interazioni deboli quando sono
in gioco forze nucleari.
Si
era pensato che questa interazione apparisse soltanto con la presenza dei
neutrini e degli altri leptoni, ma essa regola anche le disintegrazioni
lente delle particelle strane anche quando non è rivelato nessun
leptone (interazioni "non leptoniche"), il che conferma l'attributo "universale"
dato a queste interazioni di Fermi.
La
gravitazione
Anche
se è per noi la più familiare, la forza gravitazionale non
è certo la meno misteriosa, dato che è così debole
da non essere rilevabile al livello delle particelle elementari, tanto
debole da rendere lecita la domanda se la massa inerziale dei corpi quantistici
sia sensibile alla gravitazione; che lo sia, è molto probabile,
ma nulla permette di affermarlo dal punto di vista sperimentale, salvo
forse la misura della deviazione dei raggi luminosi da parte del sole.
Essendo
però la sola che possa agire su corpi neutri a grande distanza,
essa è necessaria per mantenere la coesione dell'universo e la permanenza
della vita. Secondo la filosofia comunemente adottata, può essere
considerata come il grande principio fondamentale di tutte le forze o,
al contrario, come un residuo degli accoppiamenti multipolari. Da
Keplero a Einstein, le sue leggi che regolano il moto dei corpi celesti
hanno raggiunto una grande precisione senza però che sia stato possibile
quantizzarla. Se esistesse un quanto del campo gravitazionale gli sarebbe
riservato il nome di "gravitone", particella senza massa e con spin
2.
La
forza gravitazionale è così debole che tra due elettroni
il suo effetto è 10-39
volte quello delle cariche elettriche. Eddington pensava di avere scoperto
una certa magia in questa cifra che si ritrova non solo nel rapporto tra
le intensità delle forze atomiche, molecolari e cosmologiche, ma
anche nella relazione tra il raggio dell'elettrone e quello dell'universo,
il che l'aveva portato a formulare le leggi dell'universo con delle costanti
i cui valori erano prossimi a 10-40
.
La
gravitazione non sembra essere un'interazione come le altre poiché
la sua carica è esattamente uguale alla massa inerziale che è
la sorgente di ogni movimento. La forza elettrica attira la carica elettrica
posta su un elettrone e le imprime un'accelerazione 2000 volte maggiore
di quella che imprimerebbe alla stessa carica posta su un protone; l'accelerazione
prodotta dalla gravitazione è al contrario la stessa per tutti i
corpi che, nel vuoto, cascano tutti alla medesima velocità, sia
pesanti sia leggeri.
Questa
sembra essere qualcosa di più di una coincidenza, ed Einstein ha
supposto che massa gravitazionale e massa inerte siano identiche, e che
quindi la gravitazione non sia una forza nel senso "elettrico" del termine,
ma una curvatura dello spazio che impone agli oggetti determinate traiettorie
particolari dovute all'esistenza stessa dello spazio-tempo. La sua azione
in un punto è il valore del campo in quel punto secondo la concezione
maxwelliana dei campi che nega l'azione istantanea a distanza di Newton.
Certi
autori sembra che preferiscono tornare alla nozione di azione a distanza,
trasmessa però a velocità finita, precisando però che essa non avviene da un corpo all'altro ma tramite tutto l'universo
che vi partecipa; l'azione in un punto deve quindi dare delle informazioni
sul resto del mondo nel suo insieme. Si pensa anche di riprendere il vecchio
principio di Mach secondo il quale la massa inerziale di un corpo esiste
a causa della presenza degli oggetti celesti, anche dei più lontani.
Comunque
sia, senza la gravitazione niente massa inerziale, quindi niente accelerazione
e, infine, niente tempo nella concezione einsteniana.
BIBLIOGRAFIA:
STEVEN WEINBERG - LA SCOPERTA DELLE
PARTICELLE SUBATOMICHE - ZANICHELLI
KENNETH W. FORD - LA FISICA DELLE
PARTICELLE - MONDADORI
il libro online
EMILIO SEGRE' - PERSONAGGI E SCOPERTE
DELLA FISICA CONTEMPORANEA - MONDADORI
GEORGE GAMOW - TRENT'ANNI CHE SCONVOLSERO LA
FISICA - ZANICHELLI
CHEN NING YANG - LA SCOPERTA DELLE PARTICELLE ELEMENTARI - BORINGHIERI
|
a cura di Pio Passalacqua
|
indice
Filmati
La
struttura atomica di A. Vecchia
Le particelle strane di Arturo Russo
Via Panisperna
Pioggia dal cosmo
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