LE PARTICELLE ELEMENTARI (2' PARTE: CARICA ELETTRICA E SPIN, MATERIA E ANTIMATERIA, LA ZOOLOGIA DELLE PARTICELLE)

SECONDA PARTE

CARICA ELETTRICA E SPIN
MATERIA E ANTIMATERIA

LA ZOOLOGIA DELLE PARTICELLE

Concludiamo la nostra breve rassegna sulle proprietà delle 

particelle introducendo i concetti di carica elettrica e spin

La carica elettrica è una proprietà fondamentale delle particelle elementari che determina le loro interazioni elettromagnetiche. Ogni particella può possedere una carica positiva, negativa o nulla. Com'è ben noto, due particelle se dotate di carica dello stesso segno si respingono, se di segno opposto si attraggono, oppure se almeno una delle due ha carica nulla, nessuna delle due avverte la "presenza elettromagnetica" dell'altra. La carica elettrica è una quantità puramente additiva: è sempre vero che sommando due oggetti carichi (macroscopici o microscopici) si ottiene un oggetto dotato di una carica pari alla somma di quelle degli oggetti costituenti.

Un'altra caratteristica importante della carica elettrica è che essa è una grandezza quantizzata, ossia esiste solo sotto forma di multipli interi o frazionari (1/3 oppure 2/3 nel caso dei quark), di una quantità fondamentale, la carica del positrone (la particella di antimateria dell'elettrone), che viene comunemente indicata con la lettera e. Ad esempio, la carica di un protone è pari ad una carica positiva fondamentale e, uguale ma di segno opposto rispetto a quella dell'elettrone -e, mentre la carica di un neutrone è nulla. Poiché il numero di protoni è uguale a quello degli elettroni in tutti gli atomi nel loro stato normale, gli atomi e quindi la materia di cui siamo composti, risulta elettricamente neutra, cioè complessivamente dotata di carica nulla. Ad esempio, un atomo di idrogeno è composto da un protone come nucleo e da un elettrone che gli orbita incessantemente intorno, per cui la carica complessiva che si ottiene sommando la carica del protone a quella dell'elettrone è identicamente pari a zero. Tuttavia è possibile assegnare una carica non nulla a singoli atomi, ad esempio "strappando" via uno o più dei loro elettroni. Gli atomi carichi positivamente così ottenuti prendono il nome di ioni.

Similmente alla massa-energia, la carica elettrica è una grandezza che si conserva, cioè la carica elettrica totale di un sistema di particelle isolato rimane sempre uguale a se stessa. Ad esempio, la somma delle cariche elettriche delle particelle risultanti dal decadimento di una particella, deve essere necessariamente pari alla carica elettrica della particella madre. Similmente, nelle collisioni tra particelle altamente energetiche all'interno di acceleratori, la somma delle cariche elettriche di tutte le particelle prodotte dalla conversione in massa dell'energia delle due particelle collidenti deve essere pari alla somma delle cariche elettriche di queste ultime. 

Una particella dotata di spin si comporta come se ruotasse intorno
ad un asse, sebbene non ci sia nessuna struttura ruotante

Per quanto riguarda lo spin, esso è un concetto molto diverso da quello della carica elettrica, ma anche esso ha la curiosa proprietà di essere caratterizzato da unità fondamentali quantizzate, cioè lo spin di  ogni particella non può assumere un valore qualsiasi, ma deve necessariamente essere pari al multiplo intero o semi-intero di una costante fondamentale, che è comunemente indicata con il simbolo h (si legge "acca tagliato"). Un protone e un elettrone hanno ad esempio un valore semi-intero di spin, cioè pari a 1/2 h. Altre particelle come il pione hanno spin nullo, mentre una particella di luce, il fotone, ha spin intero pari a h.

Dobbiamo però ancora chiarire cosa si intenda per spin di una particella. Immaginate una piccola sferetta in veloce rotazione intorno ad un asse, come una trottola, e che a questo moto corrisponda una grandezza fisica chiamata spin. Una particella puntiforme come un elettrone non possiede una struttura, ossia non è composto da particelle più piccole. In quanto tale, esso non possiede un asse intorno al quale la materia che lo compone possa ruotare, quindi è impossibile pensare ad un elettrone come ad una sorta di sferetta in rotazione. Tuttavia, cosa curiosa e classicamente inspiegabile, esso si comporta esattamente come se ruotasse perennemente intorno a un asse. Questo paradosso si risolve in meccanica quantistica semplicemente considerando che questo apparente moto di rotazione delle particelle intorno ad un asse è una caratteristica intrinseca delle particelle stesse, esattamente come lo è ad esempio la carica elettrica. Questa proprietà intrinseca di rotazione si chiama in ogni caso spin. Le particelle si classificano in base allo spin come fermioni (spin semi-intero) o bosoni (spin intero oppure nullo).

Materia e anti-materia

E' importante osservare che per ogni particella di materia esiste in natura una corrispondente particella di antimateria, eccezion fatta per alcuni casi in cui una particella di materia coincide con la propria antiparticella. In generale comunque, particelle di materia e di antimateria sono distinte e caratterizzate dallo stesso valore della massa, ma dotate di carica di segno opposto (se la particella in questione ha una carica non nulla).

Idrogeno e il corrispondente di anti-materia, l'anti-idrogeno:
particelle identiche, ma con carica elettrica esattamente opposta.

E' importante ribadire che quando parliamo di antimateria non stiamo discutendo di qualche concetto astratto ed ipotetico o di fantascienza. La prima particella di antimateria (il positrone) fu scoperto sperimentalmente nel 1932 ad opera del fisico statunitense Carl David Anderson, per questo insignito del Premio nobel per la Fisica nel 1936. Da allora ad oggi per ogni particella di materia la rispettiva particella di antimateria è stata non solo scoperta, ma studiata tramite gli acceleratori di particelle con la stessa precisione raggiunta negli studi sulle particelle di materia. Questo per far presente che l'antimateria è per un fisico delle particelle un concetto assolutamente concreto e familiare, ed è un comune errore ritenere che essa sia qualcosa di relativo alla finzione letteraria o cinematografica. 

La zoologia delle particelle

Fino ai primi anni '30 erano conosciute solo quattro particelle: il neutrone, il protone, l'elettrone e il fotone. Ciò era legato al fatto che tutte queste particelle non dovevano essere create in laboratorio o ricercate all'interno di radiazioni provenienti dallo spazio (raggi  cosmici), in quanto abbondavano sulla Terra, essendo ciò di cui è composta tutta la materia ordinaria. Durante gli anni '30, alle quattro particelle si aggiunsero il positrone (o anti-elettrone) e il muone, anche quest'ultimo scoperto da Anderson nel 1936. In più era già chiaro allor che doveva esistere una particella neutra di massa piccolissima e che interagiva molto debolmente con le altre particelle di materia, alla quale venne dato il nome di neutrino. Esso rappresentava una necessità teorica incontrovertibile, e sebbene non sarebbe stato osservato sperimentalmente fino agli anni '50, esso fu aggiunto con notevole fiducia all'elenco delle particelle conosciute (cosa non infrequente in fisica, basti pensare al Bosone di Higgs, teorizzato quasi 50 anni prima della sua effettiva scoperta!).

Per la successiva scoperta di una particella, il pione, si dovette aspettare il 1947, ad opera di un gruppo di ricerca dell'Università di Bristol composto da Cecil Powell, César Lattes e Giuseppe Occhialini. Fino agli ultimi anni '40 tutte le scoperte di nuove particelle erano state effettuate in seguito allo studio dei raggi cosmici, particelle prodotte negli strati alti dell'atmosfera in seguito a collisioni di altre particelle provenienti dallo spazio profondo con nuclei di atomi di gas atmosferici.

il fisico Giuseppe Occhialini
(1907-1993) in una foto giovanile.

Sia il muone che il pione in qualche modo non avevano caratteristiche particolarmente innovative, in quanto la prima somigliava in qualche modo a un elettrone (pur essendo circa 200 volte più pesante), mentre la seconda nella sua variante dotata di carica aveva proprietà di comportamento simili al protone (pur pesando circa 10 volte di meno). 

La zoologia delle particelle si ampliò dal 1947 in poi grazie alla scoperta di un'intera classe di nuove particelle dotate di caratteristiche di comportamento differenti da tutte quelle precedentemente note, che per questo motivo vennero definite "particelle strane", nomenclatura che è sopravvissuta fino a oggi, nonostante per noi non siano più strane per niente. Le nuove particelle, le più comuni delle quali vennero denominate kaoni, incuriosirono i fisici per diversi buoni motivi, sia perché se prodotte negli acceleratori apparivano sempre in coppia, sia per la loro lunga vita media, fatto inatteso poiché le particelle venivano prodotte per interazioni forti e decadevano in particelle che interagivano fortemente, ma il decadimento sembrava avvenire (ed in effetti avveniva) inspiegabilmente solo a causa di interazioni deboli. Le interazioni forti erano cioè escluse nel processo di decadimento. Nel loro decadimento esse emettevano una coppia di particelle, ad esempio pioni, lasciando, all'interno dei rivelatori di quel tempo, scie dalla caratteristica forma a V. Ad esempio, in un tipico fenomeno di produzione di particelle strane, la traccia di un pione prodotto da un acceleratore si arrestava improvvisamente e separata da essa di pochi centimetri comparivano due particelle originate da un comune vertice, che si aprivano tra loro con un certo angolo disegnando appunto una V.

Gli anni  '60 aprirono la porta ad una nuova ondata di particelle di vita ultra corta, che vennero per questo motivo chiamate "risonanze". Nel caratteristico breve intervallo dovuto alla grande velocità con la quale agiscono le interazioni forti e quelle elettromagnetiche esse scomparivano dando origine a particelle più leggere, ma era comunque possibile tramite le particelle prodotte dal decadimento risalire a tutte le caratteristiche delle particelle madri. In sostanza una risonanza tipica nasceva e moriva entro una regione di spazio infinitamente piccola, e il fatto che fosse realmente esistita poteva dedursi solo dai prodotti ben più duraturi del suo decadimento.

Il moltiplicarsi delle particelle generò un periodo di confusione nel quadro teorico della fisica delle particelle, che si protrasse per lungo tempo, in quanto non si riusciva ad intravedere una logica che spiegasse in maniera convincente il perché di così tanti e variegati oggetti. Ovvero, sembrava venire a mancare il principio base al quale la Natura dovesse seguire criteri semplici ed eleganti, e non piuttosto assomigliare a un puzzle disordinato, con particelle inattese che continuamente apparivano sulla scena. 

La svolta storica nella comprensione dei fenomeni nella fisica delle particelle si verificò con gli anni '70, che rimarranno nella storia della scienza come un'età dell'oro per lo studio delle particelle elementari e per l'avanzamento delle nostre conoscenze nell'ambito delle interazioni fondamentali della Natura. Fino alla fine degli anni '60 si era potuto solo catalogare le caratteristiche delle particelle, e trovare modi efficaci ma scarsamente motivati di descrivere le ragione della loro varietà e del loro comportamento nei processi di produzione e decadimento.

Finalmente si realizzò che quasi tutte le particelle note non erano veramente elementari, ma composte di un numero limitato di particelle più piccole legate fra loro, che variamente combinate potevano spiegare tutta la zoologia delle particelle. Queste particelle vennero denominate quark, un vocabolo senza un preciso significato, preso in prestito dallo scrittore irlandese James Joyce che l'aveva introdotto nel romanzo Finnegans Wake. (cliccate sopra il titolo per leggere la trama)

Si realizzò quindi che i protoni e neutroni erano  composti di due sole varietà di quark, denominati up e down, tenuti insieme dalla forza forte. In particolare il protone era formato da due quark up e da un quark down, mentre un neutrone da un quark up e due quark down. Il pione carico invece era formato da due soli quark, un quark up e un antiquark down. 

In realtà il concetto di quark venne introdotto già nei primi anni '60 dai fisici statunitensi Murray Gell-Mann e George Zweig. Tuttavia la loro teoria venne accolta con un certo scetticismo, essendo considerata alla stregua di un modo furbo di catalogare le particelle, piuttosto che come la descrizione di un fenomeno fisico reale. I suoi detrattori sostenevano, non senza un pò di ragione a quel tempo, che risultava incomprensibile il fatto che, se questi quark realmente fossero esistiti e componessero quasi tutte le particelle allora note, nessuno ne avesse mai osservato uno in libertà. Tutte le ricerche tese a osservare un quark isolato, quindi non legato ad altri per formare particelle più complesse, si susseguirono senza successo per molti anni, fino a che si realizzò che una tale osservazione era impossibile, poiché si comprese che una caratteristica fondamentale delle interazioni forti era proprio che un quark non poteva, per sua natura, che esistere all'interno di particelle composite, in base ad una proprietà delle interazioni forti che prende il nome di confinamento. ( Per saperne di più guardate qui --->  Colore e Confinamento )

Rappresentazione schematica di un protone, un neutrone e di
un pione carico, costituiti da combinazioni di diversi quark di
tipo up e down: up-up-down nel caso del protone, up-down-down
nel caso del neutrone, up-antidown nel caso del pione. Per
formare le particelle, i quark sono tenuti insieme dalla forza forte.

In ogni modo il modello a quark, postulando l'esistenza di tre sole specie di quark -up, down e strange (cioè strano, appunto, è perché esso era contenuto all'interno di particelle strane) -era in grado in modo agevole di spiegare la ragion d'essere di tutte le particelle che erano sensibili alla forza forte.

Il modello a quark divenne comunque una solida realtà, allorché grazie ad esso fu possibile all'inizio degli anni '70 effettuare la spettacolare previsione dell'esistenza di un quarto quark. Nel 1970 questa previsione venne pubblicata in un lavoro di Sheldon Glasgow, John Iliopoulos e Luciano Maiani, i quali erano ricordi a questo nuovo quark, del quale prevedevano importanti caratteristiche su come avrebbe dovuto interagire tramite la forza debole (riprendendo alcuni fondamentali concetti introdotti da Nicola Cabibbo pochi anni prima), per spiegare l'assenza sperimentalmente verificata di un particolare processo di interazione debole. Il nuovo quark venne denominato charm, traducibile in fascino o incanto.

il fisico teorico Nicola Cabibbo, uno dei fisici
più citati del Mondo nella letteratura scientifica.
E' stato Presidente dell'INFN dal 1983 al 1992 e
successivamente Presidente dell'ENEA nonchè
Presidente dell'Accademia Pontificia delle Scienze.

 Il nuovo quark fu osservato effettivamente per la prima volta nel 1974, con la scoperta della particella denominata J/ψ, contemporaneamente da due distinti gruppi statunitensi, uno guidato da Burton Richter e l'altro da Samuel Ting. Il bizarro nome della nuova particella è dovuto al fatto che essa fu battezzata con la lettera dell'alfabeto inglese J dal gruppo di Richter mentre venne chiamata con la lettera greca ψ (psi) dal gruppo di Ting, per cui alla fine fu concordato un compromesso tra i due e la particella fu chiamata J/ψ. La particella era molto pesante rispetto a tutte le particelle note a quei tempi. Essa aveva una massa di 3,1 GeV, tre volte maggiore di quella di un protone, che è all'incirca 1 GeV. Questo venne attribuito alla maggiore massa del quark charm, che si aggira intorno a 1,3 GeV. Dato che la J/ψ è composta da un quark charm e un antiquark charm, essa parte da una base di 2,6 GeV di massa, alla quale va aggiunta l'energia di legame dei due quark e antiquark per raggiungere la massa finale di 3,1 GeV. Essendo composta da una particella di materia e dalla rispettiva particella di antimateria non c'è da aspettarsi che la particella J/ψ   abbia una vita molto lunga. In effetti, anche la particella J/ψ si comporta come una risonanza, e i due quark e antiquark charm si annichilano dopo un tempo brevissimo, decadendo in altre particelle, per cui possiamo risalire al fatto che si sia trattato effettivamente di una J/ψ studiando i suoi prodotti di decadimento. 

Particelle elementari nel Modello Standard.
Leptoni e Quark sono i costituenti fondamentali
della materia, mentre il fotone, il gluone e le
particelle W e Z sono rispettivamente i mediatori
delle interazioni elettromagnetiche, forti e e deboli.
A questo quadro manca solo l'ultimo componente, il
Bosone di Higgs, o "Particella di Dio, scoperto al CERN
di Ginevra nel luglio 2012.

L'attribuzione del premio Nobel per la fisica a Richter e Ting in compartecipazione, solo due anni dopo la scoperta, è un fatto che testimonia l'enorme impatto che l'osservazione della particella J/ψ ebbe nel mondo della fisica delle alte energie. L'importanza della scoperta non era solo dovuta alla rivelazione di una nuova particella, ma più in generale al fatto che ciò confermava una teoria, quella del modello a quark, che a quel punto era evidente potesse mettere ordine nell'intricato mondo delle molte particelle allora note.

Ai quattro quark noti si aggiunse nel 1976 (quando sono nato io!!!!!) un quinto quark, il quark bottom (anche chiamato quark beauty, cioè bellezza, sulla scia dell'incantato charm), ad opera di un gruppo diretto da Leon Lederman, anche lui insignito del Premio Nobel per la Fisica molti anni più tardi, nel 1988. Il quark bottom aveva una massa ancora più elevato del charm, pari a 4,5 Gev. Anche esso venne scoperto all'interno di una particella composta da un quark e un antiquark bottom, indicata dai suoi scopritori con la lettera greca Y (Upsilon). Per il sesto e ultimo quark ad oggi noto si dovette attendere il 1995, quando venne scoperto il quark top. La scoperta del top tardò per decenni poichè, per ragioni ancora ignote, il quark top ha una massa molto maggiore rispetto a tutti gli altri quark, pari a circa 171 Gev, cioè 180 volte più pesante di un protone.

Per quanto ne sappiamo, i quark sono particelle autenticamente elementari, cioè non hanno una sotto-struttura che le compone, similmente all'elettrone, al muone e ai due neutrini associati rispettivamente all'elettrone e al muone, ovvero neutrino elettronico e neutrino muonico. Queste ultime quattro particelle sono denominate leptoni, e a differenza dei quark che interagiscono mediante tutte e quattro le forze fondamentali, i leptoni non interagiscono mediante la forza forte, che è una peculiarità esclusiva dei quark. Inoltre, poiché i neutrini sono privi di carica elettrica, essi non interagiscono elettromagneticamente.

Ai quattro leptoni sopra menzionati, vanno aggiunti due ulteriori leptoni: il leptone τ (tau), dotato di massa di 1,78 GeV e scoperto nel 1975 da Martin Lewis Perl, Premio Nobel per la Fisica nel 1995, e il suo neutrino associato, il neutrino tau-onico. Tutte le centinaia di particelle esistenti in natura (o meglio, quelle che siamo stati in grado di osservare in laboratorio sulla Terra fino ad oggi) possono essere leptoni , oppure particelle composte formate da due quark (per l'esattezza da un quark e un antiquark, e sono denominati mesoni), o infine da tre quark (barioni): Come si è detto, un mesone come il pione π+ carico è formato da un quark up e un antiquark down tra loro legati dalla forza forte. Un barione come il neutrone è invece formato da un quark up e due quark down. Tutti gli altri mesoni e barioni (collettivamente noti come adroni) si possono costruire in modo simile componendo in modo opportuno tutte le combinazioni di quark.

Suddivisione in classi delle particelle.

Riassumendo, le uniche particelle al momento veramente elementari sono solo dodici in tutto (più le loro antiparticelle che sono altre dodici): 

• i sei leptoni elettrone e, muone μ, tau τ (o tauone) e i loro rispettivi neutrini: neutrino elettronico νe, neutrino muonico νμ, neutrino tau onico ντ; 
• i sei quark: down (d), up (u), strange (s), charm (c), top (t), bottom (b).

Oltre a queste dodici particelle di base e alle rispettive antiparticelle, esistono i cosiddetti bosoni mediatori, cioè altre particelle che giocano il ruolo di portatrici delle forze. Infatti, nella moderna teoria delle particelle elementari ogni interazione fra due particelle si rappresenta mediante lo scambio di altre particelle, che agiscono in un certo senso da messaggeri della forza.

La forza elettromagnetica che si esercita tra due particelle elettricamente cariche, è dovuta allo scambio di un fotone, cioè una particella di luce, priva di massa; 

la forza forte si esercita tra due quark mediante lo scambio di una particella priva di massa, chiamata gluone;

la forza debole mediante lo scambio di particelle molto massive chiamate W e Z (80 GeV e 91 GeV di massa rispettivamente, la cosiddetta "luce pesante", scoperte nel 1983 dal Premio Nobel per la Fisica -immediatamente assegnato, nel 1984- Caro Rubbia e dai suoi collaboratori;

la forza gravitazionale infine, mediante lo scambio di particelle prive di massa chiamate gravitoni.

(per approfondire un breve, ma esauriente articolo su come, nelle varie epoche storiche, si sono via via unificate le forze: Qui)

Schema riassuntivo delle forze o interazioni fondamentali.
Il diagramma di Feynman (in rosso) descrive le modalità di interazione.
Il riquadro a destra elenca (dall'alto in basso):  l'intensità delle forze
(con la forza forte pari a 1, le altre espresse in sottomultipli di quella forte);
la distanza massima entro cui le forze possono essere avvertite;
le particelle su cui le forze agiscono, e in ultimo, le particelle,
dette anche bosoni vettori, mediatrici delle forze in questione.

I leptoni e i quark sono tutti fermioni, cioè dotati di spin semi-intero, mentre i bosoni mediatori hanno tutti spin intero. Leptoni, quark e bosoni mediatori sono gli unici costituenti fondamentali di tutte le particelle ad oggi studiate in laboratorio, e costituiscono quel quadro teorico delle particelle fondamentali che prende il nome di Modello Standard.

L'ultima particella del Modello Standard delle Particelle da menzionare è il cosiddetto Bosone di Higgs (Bosone di Higgs), definita felicemente da Leon Lederman come la "Particella di Dio" (in origine era "Goddamn particle", ovvero la "particella maledetta", divenuta poi "God particle", definizione più politicamente corretta). Essa ha rappresentato l'ultimo tassello mancante nel mosaico della fisica delle particelle facente parte del quadro attuale delle interazioni fondamentali, osservata per la prima volta nel 2012. Uno degli scopi principali degli esperimenti condotti al Large Hadron Collider consisteva proprio nella rivelazione di questa sfuggente particella.

Le unificazioni delle varie forze.

Un ultimo importante commento sul Modello Standard delle Particelle elementari consiste nel fatto che esso non include la forza di gravità. Il Modello Standard include cioè solo la forza elettromagnetica, la forza debole (unificate successivamente nella forza elettro-debole), e la forza forte (forza forte e forza elettro-debole sembra possano essere unificate a altissime energie in un'unica forza elettronucleare), dato che al momento nessuno è riuscito a realizzare una descrizione soddisfacente dal punto di vista nella meccanica quantistica della forza di gravità (la cosiddetta gravità quantistica): tutti i tentativi sono desistiti di fronte a una serie di insormontabili difficoltà di carattere teorico e matematico. Per lo studio delle particelle elementari questo non costituisce un serio problema, poiché le masse delle particelle sono così piccole che l'intensità della forza gravitazionale su scala submicroscopica risulta irrisoria, e può essere trascurata del tutto con un'approssimazione praticamente perfetta.

Interazione tra quark mediata
dallo scambio di gluoni.

Vorrei concludere sottolineando che il Modello Standard è la più grandiosa costruzione teorico-sperimentale che l'uomo abbia mai realizzato, avendo richiesto oltre ottant'anni di lavoro, dai tempi in cui la fisica delle particelle muoveva i primi passi, per essere formulata nella sua forma attuale. 

Prima parte Qui