La Fisica delle particelle elementari

Le particelle subnucleari soggette alla forza forte costituiscono la seconda grande classe di particelle studiate in laboratorio. Si tratta degli adroni, tra i quali vanno annoverati i protoni, i neutroni e i mesoni. Una moltitudine di altri adroni meno conosciuti esiste soltanto in modo effimero come prodotto di collisioni ad alta energia, dalle quali si possono materializzare particelle estremamente massicce e molto instabili. Sono state catalogate centinaia di specie di adroni variabili per massa, spin, carica e altre proprietà.

protone	mesone k positivo

Gli adroni però non sono particelle elementari, in quanto posseggono una struttura interna. Nel 1964 Murray Gell-Mann, del California Institute of Technology (Caltech) e George Zweig, allora al CERN di Ginevra, tentarono indipendentemente di spiegare la sorprendente varietà di adroni ipotizzando che essi fossero particelle composte, formate ciascuna da una diversa combinazione di un piccolo numero di costituenti fondamentali. Gell-Mann li chiamò <quark>. L'ipotesi venne confermata sul finire degli anni sessanta da studi condotti presso lo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), dove elettroni di alta energia venivano sparati contro protoni e neutroni. La distribuzione energetica e angolare degli elettroni diffusi indicava che alcuni di essi urtavano contro oggetti puntiformi elettricamente carichi, contenuti all'interno dei protoni e dei neutroni.

Una fotografia aerea dell'acceleratore lineare di Stanford. La sede dell'acceleratore, lunga 3 chilometri, incrocia l'autostrada 82. Gli esperimenti si svolgono nelle stazioni terminali in primo piano e in un anello di accumulazione sotterraneo.

La fisica delle particelle attribuisce oggi tutte le specie di adroni conosciute a combinazioni di queste entità fondamentali. Sono stati identificati sei tipi di quark, anch'essi chiamati sapori - i quark su (u), giù (d), incanto (c), strano (s), basso (b) e alto (t). Come i leptoni, i quark hanno spin 1/2 e possono essere, pertanto, sia sinistrorsi sia destrorsi. Essi portano anche una carica elettrica pari a una frazione esatta della carica dell'elettrone: i quark d, s e b hanno una carica -1/3, mentre i quark u, c e t hanno una carica +2/3. Gli antiquark corrispondenti hanno cariche elettriche con lo stesso valore, ma di segno opposto.

Negli adroni tali cariche frazionarie non sono mai state osservate, perché i quark formano combinazioni in cui la somma delle cariche è un intero. Per esempio, i mesoni sono formati da un quark e da un antiquark, le cui cariche possono dare per somma -1, 0 o +1. I protoni e i neutroni sono formati rispettivamente da due quark u e da un quark d, con carica totale +1 e da un quark u e due quark d con carica totale 0.

Come i leptoni, i quark sono soggetti a interazioni deboli che cambiano una specie, o sapore, in un'altra. Per esempio, nel decadimento beta di un protone in un neutrone uno dei quark d del neutrone si trasforma in un quark u, emettendo nel corso del processo un elettrone e un antineutrino. Sono state osservate analoghe trasformazioni di quark c in quark s. Lo schema dei decadimenti suggerisce due raggruppamenti familiari, uno dei quali dovrebbe comprendere i quark u e i quark d, mentre l'altro i quark c e i quark s. In evidente contrasto con il comportamento dei leptoni, alcuni decadimenti di quark violano però le regole della parentela; sono state osservate trasformazioni di quark u in quark s e di quark c in quark d. E' stata la somiglianza delle due famiglie note di quark con le famiglie dei leptoni a suggerire per la prima volta l'esistenza di un quark t, con la funzione di partner del quark b in una terza famiglia.

Diversamente dai leptoni, non sono mai stati osservati quark liberi. Eppure le prove circostanziate della loro esistenza sono aumentate costantemente.

Un'indicazione della validità del modello a quark è il suo successo nel prevedere prodotti di collisioni ad alta energia tra un elettrone e un positrone. Dal momento che rappresentano materia e antimateria, le due particelle si annichilano a vicenda liberando energia sotto forma di un fotone. Il modello a quark prevede che l'energia di un fotone si possa materializzare in un quark e in un antiquark. Dato che la coppia elettrone-positrone in collisione aveva una quantità di moto totale nulla, la coppia quark-antiquark deve divergere in direzioni opposte con la stessa velocità in modo che la sua quantità di moto totale sia ancora nulla. I quark passano però inosservati perché la loro energia viene convertita in altri quark e antiquark che si materializzano e si combinano con la coppia originaria, dando origine a due getti di adroni (per la maggior parte pioni, una specie di mesone). Tali getti vengono realmente osservati e il fatto che siano focalizzati conferma che gli adroni non nascono direttamente dalla collisione, ma da singole particelle indivisibili delle quali i getti mantengono le traiettorie.

Una prova qualitativa dell'esistenza dei quark. La collisione tra un elettrone e un positrone produce due sottili spruzzi di particelle, chiamati <getti>. Una spiegazione soddisfacente della frequenza di questa configurazione è che l'annichilazione positrone-elettrone produce un fotone <virtuale>, il quale a sua volta si disintegra in un quark e un antiquark che schizzano in direzioni opposte. Questi quark diventano getti quando si allontanano dal luogo della collisione. L'evento è stato registrato dall'acceleratore PETRA di Amburgo, in Germania. Le traiettorie delle particelle sono state riprodotte dal computer a partire dalle scie di ionizzazione e dalla configurazione dell'energia (a colori nel disegno) rilasciata dalle particelle mentre colpivano lo strato interno del cilindro del rivelatore, lungo 2,4 metri.

La realtà dei quark è inoltre confermata dalla varietà di livelli energetici, o masse, ai quali si possono osservare, in esperimenti con gli acceleratori, certe specie di adroni, in particolare le particelle psi e ipsilon. Tali spettri energetici sembrano simili agli spettri atomici:pare che essi rappresentino gli stati quantici di un sistema legato, formato da due componenti più piccoli. Ognuno di questi stati quantici rappresenterebbe un diverso grado di eccitazione e una diversa combinazione degli spin e del moto orbitale dei componenti. Per la maggior parte dei fisici risulta inevitabile la conclusione che tali particelle siano costituite di quark. Si ritiene che la particella psi sia formata da un quark c e dal suo antiquark, mentre la particella ipsilon dovrebbe comprendere un quark b e il corrispondente antiquark.

A quali regole devono sottostare le combinazioni di quark che formano i vari adroni? I mesoni sono composti da un quark e da un antiquark. Dal momento che ogni quark ha spin 1/2, lo spin totale di un mesone è 0 se i suoi costituenti ruotano in direzioni opposte e 1 se ruotano nella stessa direzione, anche se nei loro stati eccitati i mesoni possono avere valori di spin maggiori a causa del moto orbitale dei quark. L'altra classe di adroni, i barioni, consiste di tre quark per ogni barione. Sommando i possibili spin e le possibili direzioni dei quark costituenti si ottengono due valori possibili per lo spin dei barioni meno energetici: 1/2 e 3/2. Non si è osservata alcuna altra combinazione di quark; non pare possibile l'esistenza di adroni formati da due o quattro quark.

Wolfgang Pauli

La spiegazione è collegata alla risposta a un altro quesito. Secondo il principio di esclusione di Wolfgang Pauli, non vi sono due particelle, che occupino una minuta regione dello spazio e abbiano spin seminteri, con lo stesso numero quantico, cioè con gli stessi valori di quantità di moto, di carica e di spin. Il principio di esclusione di Pauli spiega in modo elegante le configurazioni di elettroni che determinano la posizione occupata da un elemento nella tavola periodica. Esso dovrebbe costituire una guida attendibile anche per la panoplia degli adroni ma sembrerebbe suggerire, tuttavia, che non possano esistere adroni esotici quali la particella delta più più e la particella omega meno, che si materializzano brevemente in seguito a collisioni ad alta energia. Queste particelle sono formate rispettivamente da tre quark u e da tre quark s e hanno uno spin 3/2; tutti e tre i quark di ciascun adrone devono essere identici nello spin così come nelle altre proprietà e devono perciò occupare lo stesso stato quantico.

Secondo la teoria attuale, lo schema fondamentale della natura comprende 12 particelle elementari e quattro forze. Si pensa che le 12 particelle siano prive di struttura e indivisibili; tra le loro proprietà si osservano la stessa quantità di spin, pari convenzionalmente a 1/2, e valori differenti di carica elettrica, di colore e di massa, data come energia in milioni di elettronvolt (MeV) divisa per il quadrato della velocità della luce (c). Nella materia comune si trovano solo le coppie di leptoni e quark alla sommità di ogni colonna; le altre particelle si osservano per breve tempo tra i prodotti delle collisioni ad alta energia. Le quattro forze che governerebbero la materia variano in intensità e in raggio d'azione; la forza forte, anche se è la più potente, agisce solo su una distanza inferiore a 10^-13 centimetri, il diametro di un protone. Tutte le forze sono trasmesse da particelle portatrici di forza, le cui masse sono espresse in miliardi di elettronvolt (GeV) divisi per il quadrato della velocità della luce. Essendo molto debole, la gravità non è stata studiata sperimentalmente dai fisici delle particelle.