La Fisica delle particelle elementari

Acceleratore  Gli acceleratori sono macchine che usano campi elettrici per accelerare ad alte energie particelle dotate di carica elettrica (elettroni, protoni e le loro antiparticelle). Se gli acceleratori sono lineari, per impartire alle particelle le energie desiderate devono essere molto lunghi, cosicché si è optato per lo più per la forma circolare, e si usano magneti per chiudere in cerchio la traiettoria delle particelle e riportarle al punto di partenza, conferendo loro altra energia a ogni passaggio.

Adrone  Le proprietà della forza di colore e le regole della teoria quantistica permettono a quark (e antiquark) e gluoni di legarsi insieme in certe combinazioni a formare una particella; tutte le particelle così formate si chiamano adroni. La particella formata da tre quark si chiama <barione>; quella formata da quark e antiquark si chiama <mesone>, e quella formata da soli gluoni glueball (gluopalla). Gli adroni hanno tutti un diametro di circa 10^-13 cm. I barioni più familiari sono il protone e il neutrone. I pioni sono i più leggeri fra i mesoni, e sono quindi quelli che si producono con la maggiore frequenza nelle collisioni. I kaoni sono gli adroni più leggeri dopo i pioni, e hanno proprietà che li rendono utili in molti studi.

Antiparticella  A ogni particella è associata un'antiparticella, ossia una particella con la stessa massa ma con tutte le cariche opposte. Una particella priva di cariche, per esempio il fotone, è l'antiparticella di se stessa. Spesso l'antiparticella viene denotata con un trattino scritto sopra il simbolo della particella: per esempio e  (e soprassegnato) è l'antiparticella dell'elettrone (chiamata anche positrone).

Barione  Un barione è una particella composta, formata da tre quark, presi a piacere su sei. Protoni e neutroni sono barioni.

Bosone  Sono bosoni tutte le particelle portatrici di un'unità intera di spin (0,1,...). Essi hanno proprietà diverse rispetto alle particelle con spin semintero (fermioni). In fisica delle particelle il <bosone> ha anche un uso più specifico: i bosoni (fotoni, gluoni, particelle W e Z) sono i quanti dei campi elettromagnetico, forte e debole. Essi trasmetto gli effetti delle forze fra quark, leptoni  e se stessi. I bosoni di Higgs o higgsoni sono i quanti di un ipotetico campo di Higgs; essi non sono ancora stati scoperti.

Bosone vettore intermedio  Nome generico dei bosoni W e Z, che mediano l'interazione debole.

Camera a bolle  Apparecchio costituito essenzialmente da un recipiente contenente un liquido (per esempio propano) sottoposto a notevoli pressioni e portato, con opportune precauzioni, a una temperatura superiore a quella di ebollizione senza che questa avvenga. Lo stato del liquido è quindi di equilibrio instabile. Se una particella carica attraversa la camera, gli atomi o le molecole ionizzati in seguito all'urto con la particella provocano l'ebollizione di piccolissime quantità di liquido. Queste minuscole bollicine di vapore, se illuminate opportunamente, possono dare una immagine su una pellicola fotografica sufficientemente sensibile. Il cammino della particella viene così individuato grazie alla catena di parziali e locali ebollizioni del liquido avvenute attorno alla traiettoria della particella stessa.

Camera di Wilson  Apparecchio costituito essenzialmente da un recipiente contenente un vapore (per esempio, vapor d'acqua e alcool) soprassaturo, tenuto cioè a una temperatura superiore a quella di condensazione. Come nella camera a bolle, l'equilibrio è instabile ed è sufficiente che, in seguito al passaggio della particella, si formino degli ioni perché su di essi si condensi del vapore. anche in questo caso la scia di goccioline viene fotografata, previo intenso illuminamento, e permette l'individuazione della particella. A parità di condizioni, lo spessore, la lunghezza e il raggio di curvatura (in un campo magnetico) della traccia permettono di risalire al tipo di particella, oltre che alla sua energia e alle sue proprietà cinematiche.

Campo  Ogni particella è l'origine di vari campi, uno per ogni carica non nulla di cui essa è portatrice. Si hanno interazioni quando una particella sente il campo di un'altra particella. Ci sono campi elettromagnetici, campi deboli e campi di colore (o forti). Qualsiasi particella dotata di energia (compresa la massa) crea un campo gravitazionale. Nella teoria standard le particelle acquistano massa interagendo con un campo di Higgs, ma l'origine di un tale campo non è ancora compresa.

Campo di Higgs  Nella teoria standard si pensa che le particelle (bosoni e fermioni) ottengano una massa interagendo col campo di Higgs. Questo deve avere proprietà molto speciali perché le masse possano essere incluse nella teoria in un modo coerente. Gli altri campi che conosciamo derivano da particelle portatrici di cariche, ma noi non comprendiamo in che modo potrebbe avere origine il campo di Higgs; ecco perché i fisici considerano con tanta apprensione la fisica di Higgs e non concordano ancora fra loro sull'esistenza o meno del bosone di Higgs. 

Colore  Proprietà posseduta da quark e gluoni. E' una sorta di carica <triplice>, analoga alla carica elettrica, che si pensa essere la sorgente dell'interazione forte tra quark descritta dalla cromodinamica quantistica.

Conservazione dell'energia  Principio assoluto secondo cui in un sistema isolato, quali che siano le sue trasformazioni interne, l'energia totale è costante nel tempo. I suoi limiti di validità sono gli stessi della conservazione della quantità di moto.

Costante di Planck  E' universalmente indicata con h e vale 6,6256 x 10^-27 erg x s. La sua presenza è responsabile della natura ondulatoria della materia, come si vede subito dalla relazione di de Broglie, secondo la quale a ogni particella è associata una vibrazione la cui lunghezza d'onda si ottiene dividendo h per la quantità di moto della particella. Il suo valore estremamente piccolo spiega perché, dalle osservazioni del mondo macroscopico, non è emersa la meccanica quantistica ma la meccanica di Newton che si può considerare come il limite della prima quando si fa tendere formalmente h a zero.

Costante di struttura fine  Costante fisica fondamentale, che caratterizza l'intensità dell'interazione elettromagnetica. Essa è definita come il quadrato della carica elettrica dell'elettrone, diviso per il prodotto della costante di Planck per la velocità della luce. E' spesso contrassegnata dal simbolo a Il suo valore numerico è 1/137,04. 

Decadimento  I quark, i leptoni e i bosoni, che sono le particelle della teoria standard, hanno interazioni che permettono loro di compiere transizioni l'uno nell'altro. Ogni volta che uno di essi può trasformarsi in particelle più leggere, la transizione avverrà con una certa probabilità, e noi diciamo che la particella più pesante è instabile ed è decaduta in quelle più leggere. Nella teoria standard il quark su, l'elettrone e i neutrini non decadono; decadono invece gli altri fermioni e le particelle W e Z.

Effetto fotoelettrico  Se la superficie di certi materiali viene colpita da luce di opportuna frequenza, essa emette degli elettroni. L'energia degli elettroni dipende unicamente dalla frequenza e non dall'intensità della luce incidente. Inoltre, al di sotto di una certa frequenza, detta frequenza di soglia, non viene emesso alcun elettrone. Queste caratteristiche del fenomeno, non spiegabili mediante la teoria dell'elettromagnetismo classico di Maxwell, condussero Einstein all'ipotesi, rivelatasi in seguito esatta ed estremamente fruttuosa, della natura discreta della radiazione e alla famosa equazione E = h f  che stabilisce l'energia posseduta da ciascun granulo di energia, macroscopicamente osservata come radiazione continua di frequenza f.

Elettronvolt (eV)  Unità di misura per l'energia, definita come l'energia acquistata da un elettrone accelerato da una differenza di potenziale di un volt.

Fermione  I fermioni sono particelle con spin semintero. Essi hanno proprietà diverse rispetto alle particelle con unità di spin intera (i bosoni). quark e leptoni, le particelle che compongono la materia, sono fermioni.

Feynman, diagramma di  Le regole di qualsiasi teoria quantistica dei campi possono essere formulate in modo tale che sia possibile disegnare un insieme di diagrammi che rappresentino tutti i processi che possono verificarsi, e assegnare una probabilità di occorrenza al processo rappresentato da ogni diagramma.

Fissione  Certi nuclei molto pesanti possono catturare una particella di tipo opportuno e trasformarsi in uno stato eccitato dello stesso nucleo o di un altro così instabile da spezzarsi dopo un tempo brevissimo in due nuclei più leggeri, approssimativamente della stessa grandezza. Per esempio, un nucleo di uranio 235 può assorbire facilmente un neutrone di bassa energia (neutrone lento o termico) e spezzarsi quindi in un nucleo di lantanio 147 e in uno di bromo 87 (frammenti della fissione), liberando inoltre due neutroni piuttosto veloci. I modi di decadimento sono numerosissimi, oltre 30 per l'uranio 235. Normalmente i prodotti della fissione sono radioattivi. I neutroni emessi vengono rallentati dagli urti contro gli altri atomi e alla fine vengono assorbiti da altri nuclei di uranio 235 (nel nostro caso) inducendo altre fissioni, e così via, e danno origine a un processo a catena (bomba atomica e reattori nucleari).

Forza  Tutti i fenomeni che conosciamo in natura possono essere descritti da quattro forze: gravitazionale, debole, elettromagnetica e forte. Benché le forze debole ed elettromagnetica ci sembrino diverse, possono essere descritte in un modo più fondamentale come unificate in una forza (elettrodebole); ci sono prove che ci sia un'unificazione simile di tale forza elettrodebole con la forza forte. Il tentativo di unificare tutte le quattro forze è un'area attiva di ricerca. Nella fisica delle particelle le parole <forza> e <interazione> significano essenzialmente la stessa cosa.

Forza debole  Una delle forze fondamentali della natura. La sua manifestazione più nota è il decadimento beta; è implicata in alcuni decadimenti di nuclei radioattivi e nei processi neutrinici.

Forza elettrodebole  Le descrizioni della forza elettromagnetica e della forza debole sono state unificate in una descrizione singola, quella della forza elettrodebole. La forza elettromagnetica e quella debole appaiono diverse perché i bosoni W e Z che mediano la forza debole sono dotati di massa, mentre il fotone che media la forza elettromagnetica ne è privo; la descrizione teorica unificata elettrodebole tratta tutti i bosoni nello stesso modo.

Forza forte  La forza dominante che agisce tra adroni; per esempio, la forza che tiene uniti protoni e neutroni nei nuclei. Oggi sappiamo che l'interazione tra adroni è un residuo di quella, ancora più potente, che agisce tra i quark all'interno degli adroni medesimi. La forza forte, mediata dallo scambio di gluoni, è descritta dalla teoria detta cromodinamica quantistica (QCD)

Fotone  E' la particella che compone la luce. Esso trasmette la forza elettromagnetica.

Funzione d'onda  In un sistema è una funzione che descrive le proprietà del sistema dipendenti dal tempo (posizione, velocità, ecc.). Essa non possiede un significato fisico diretto: a tal fine occorre considerare il suo quadrato il quale esprime la probabilità che si ha di trovare il sistema in un particolare stato (per esempio, in un certo luogo o con una certa velocità). Il fatto che si consideri anche la funzione d'onda di per sé, e non soltanto il suo quadrato, ha a che vedere con un principio fondamentale della meccanica quantistica: il principio di sovrapposizione, secondo il quale se Y₁ e Y₂  sono due funzioni d'onda corrispondenti a due stati diversi di uno stesso sistema, allora ogni loro combinazione lineare aY₁ + bY₂  corrisponde ancora a uno stato fisicamente possibile del sistema. Ciò non sarebbe più vero se si combinassero i quadrati delle funzioni d'onda.

Gauge, teoria di  E' una teoria quantistica dei campi nella quale le interazioni hanno luogo fra particelle portatrici di cariche, con intensità proporzionali alla grandezza delle cariche stesse, e sono trasmesse da bosoni, che sono i quanti dei campi creati dalle cariche.

Gluone  E' la particella che trasmette la forza forte, il quanto del campo forte.

Gluoni come getto di adroni  La forza di colore o forza forte è così forte che particelle dotate di colore (quark e gluoni), colpite o prodotte in una collisione, possono separarsi da altre particelle dotate di colore solo legandosi ad altre particelle colorate per formare adroni privi di colore. Cos' un gluone o un quark carico di energia diventa nel suo movimento uno stretto <getto> di adroni, trasformando la sua energia nella massa e nel moto di vari adroni. Un quark o un gluone appare in un rivelatore come un getto composto di norma da cinque-quindici adroni.

Grande unificazione  (GUT) Schema che consente una descrizione unificata e coerente delle interazioni elettromagnetiche, deboli e forti. 

Gravitone  E' il quanto del campo gravitazionale, e media la forza gravitazionale.

Heisenberg, relazione di indeterminazione di  In meccanica quantistica la posizione x e la quantità di moto p di una particella non possono avere simultaneamente valori ben definiti. L'indeterminazione (o dispersione statistica) dei valori di queste grandezze soddisfano la relazione DxDp > h/2.

Interazione  Si ha, tra due oggetti, interazione, se essi s'influenzano reciprocamente (ad esempio mediante forze).

Leptone  I leptoni sono una classe di particelle definite da certe proprietà: sono fermioni, con spin semintero, e non hanno carica di colore; hanno inoltre un'altra proprietà, il cosiddetto numero leptonico, che è diverso per ogni famiglia. I leptoni noti sono l'elettrone, il muone, il tauone e i loro rispettivi neutrini.

Libertà asintotica  In generale, tra i quark si esercitano intense forze cromodinamiche dovute allo scambio di gluoni. La libertà asintotica è il principio secondo il quale queste forze diventano tanto più deboli quanto più i quark sono vicini, per cui a distanze molto piccole diventano quasi <liberi>. Nelle collisioni ad alta energia, in effetti, i quark possono avvicinarsi molto, e grazie alla libertà asintotica non è difficile calcolarne il comportamento.

Mesone  Particella costituita da un quark e un antiquark.

Muone  Un leptone carico, simile all'elettrone ma appartenente alla seconda generazione di particelle. Un muone decade, formando un elettrone e un paio di neutrini, entro un milionesimo di secondo circa. I muoni hanno origine in collisioni negli acceleratori, nel decadimento di altre particelle prodotte negli acceleratori e nelle collisioni delle particelle dei raggi cosmici.

Neutrino  Leptone elettricamente neutro e privo di massa. Ce ne sono tre varietà, una per ciascuna generazione di particelle, associate all'elettrone, al muone e al leptone tau. Le uniche interazioni alle quali prende parte sono quelle deboli.

Neutrone  Vedi Adrone. Un neutrone libero ha una durata di vita di circa 15 minuti, dopo di che decade in un protone, un elettrone e un antineutrino; quando i neutroni sono legati in nuclei il decadimento non è più possibile a causa di sottili effetti spiegati dalla teoria quantistica, cosicché all'interno dei nuclei i neutroni sono stabili come i protoni.

Numero barionico  Quantità assegnata a tutte le particelle elementari:  i quark hanno numero barionico 1/3, gli antiquark -1/3; protoni e neutroni, così come molte particelle instabili, sono costituiti da tre quark e hanno numero barionico 1, mentre antiprotoni e antineutroni hanno numero barionico -1; le particelle che non contengono quark, come l'elettrone e il fotone, hanno numero barionico 0. Il numero barionico si conserva in tutti i processi osservati, ma secondo alcune teorie (per esempio quelle della grande unificazione) potrebbe non conservarsi, soprattutto quando entrano in gioco energie molto elevate come quelle dell'universo primevo.

Parità  L'operazione di simmetria consistente nel far riflettere un sistema, o una successione di eventi, in uno specchio.

Particella virtuale  Particella quantistica che esiste solo per un tempo molto breve, per esempio mentre viene scambiata tra altre particelle. A causa del principio di indeterminazione di Heisenberg, una particella virtuale non deve necessariamente soddisfare la relazione usuale tra energia, quantità di moto e massa.

Particella X  Particella ipotetica, dalla massa gigantesca, che secondo le teorie unificate dovrebbe mediare un'interazione a raggio molto corto tra quark e leptoni. Cambierebbe un quark in un leptone o in un antiquark.

Pauli, principio di esclusione di  Principio della teoria dei quanti enunciato per la prima volta da Wolfgang Pauli. Si applica alle particelle di spin 1/2, come quark e leptoni, e stabilisce che un dato insieme di numeri quantici può appartenere a non più di una sola di esse. E' alla base della struttura dei gusci elettronici degli atomi, e della struttura degli adroni in termini di quark.

Pione  (mesone p) Il più leggero dei mesoni. La sua esistenza fu predetta da Yukawa per spiegare la forza di legame nucleare. Ce ne sono tre varietà, contraddistinte dalla carica: +1, 0, -1, indicate rispettivamente con p⁺, p⁰, p^-.

Planck, costante h di  Nella teoria quantistica molte cose sono quantizzate, come per esempio i livelli di energia dell'atomo. La costante di Planck h fissa la scala della quantizzazione: i vari livelli di energia sono separati da quantità proporzionali a h; la quantità di spin che una particella può avere è un multiplo di h e via dicendo.

Positrone  (antielettrone) Antiparticella dell'elettrone, dunque con carica positiva. L'annichilazione elettrone-positrone dà luogo alla produzione di energia e a nuove varietà di adroni e quark.

Protone, decadimento del  Se la teoria standard fosse la descrizione completa e definitiva della natura, i protoni sarebbero stabili, non decadendo mai. se invece la teoria standard è una parte di una teoria più generale che unifica quark e leptoni, probabilmente i protoni sono instabili, pur avendo una durata di vita estremamente lunga. Gli esperimenti che cercano di rivelare il decadimento del protone sono molto importanti perché, se noi sapessimo con certezza che si è già verificato (e in che cosa il protone decade), disporremmo di informazioni preziose su come estendere la teoria standard.

Quark  Costituente fondamentale degli adroni. Se ne conoscono sei varietà (<sapori>), che si combinano in coppie o in terne a formare particelle come i mesoni, i protoni e i neutroni.

Quark, come getto di adroni  Poiché i quark possono esistere solo all'interno di adroni, quelli che emergono da collisioni o che sono prodotti appaiono nei rivelatori nella forma di un sottile getto di adroni, per lo più pioni.

Raggi cosmici  Particelle ad alta energia, di origine extraterrestre, che possono essere rivelate mediante osservazioni al di sopra dell'atmosfera. Se l'energia delle particelle è molto grande, possono dar luogo a cascate nell'alta atmosfera che vengono rivelate anche al livello del suolo. I raggi cosmici sono soprattutto protoni, elettroni e nuclei di elio, con una piccola percentuale di elementi pesanti, e sono presenti in tutto il disco della nostra Galassia.

Rinormalizzazione  Alcune quantità che dovrebbero essere calcolabili nelle teorie quantistico-relativistiche dei campi sembrano avere valori infiniti. In passato questo è stato un problema grave nella comprensione delle teorie. Lentamente, nel corso di sessant'anni, si è imparato che una formulazione appropriata della teoria non ha quantità infinite, e oggi si sa come evitare che esse facciano la loro apparizione nelle formule. Il procedimento usato per formulare la teoria in modo da evitare la difficoltà dei valori infiniti si chiama <rinormalizzazione>.

Sapore  Nome di fantasia assegnato alla qualità che distingue le sei varietà note di quark. I nomi dei sapori sono: up (su), down (giù), strange (strano), charm (incanto, fascino), top o truth (sommità o verità) e bottom o beauty (fondo o bellezza). Talvolta si parla di sapore anche riguardo alla distinzione tra i sei differenti leptoni.

Simmetria, rottura spontanea di  In molti casi lo stato assunto effettivamente da un sistema fisico non riflette le simmetrie sottogiacenti delle leggi dinamiche, in quanto lo stato manifestamente simmetrico è instabile. Il sistema dunque rinuncia alla simmetria per ottenere stabilità. In tal caso si dice che la rottura di simmetria è spontanea.

Spin  Momento angolare intrinseco delle particelle elementari, definito dalla rotazione della particella attorno al proprio asse. In base alle leggi della meccanica quantistica, lo spin di una particella può essere solo un multiplo intero o semintero della costante di Planck. Nella fisica delle particelle quest'ultima funge da unità, sicché lo spin è dato semplicemente da un numero. Così, ad esempio, gli elettroni e i protoni hanno spin 1/2, i fotoni spin 1 e i pioni spin 0.

Stranezza  Proprietà posseduta da ogni particella che contiene un quark strano (strange). Questo quark ha carica elettrica -1/3, e appartiene alla seconda generazione di particelle insieme al charm.

Stringhe, teoria delle  L'ultima teoria della fisica fondamentale nella quale l'entità basilare è un oggetto unidimensionale, invece del punto di <dimensione zero> della fisica delle particelle usuale.

Supersimmetria  Principio di invarianza che tenta di porre fermioni e bosoni sullo stesso piano.