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FISICA DELLE PARTICELLE
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1. Introduzione
2. Acceleratori
3. Esplosioni di particelle
4. L’ipotesi dei Quark
5. Modello Standard
6. Le particelle composte da Quark gli androni: barioni e mesoni.
7. I leptoni
8. Tabella
9. Forze e interazioni.
10. Forza elettromagnetica
11. Interazione forte.
12. Interazione debole.
13. Questioni aperte.
All’inizio degli anni ’30 le particelle considerate fondamentali individuate erano quattro: il neutrone appena scoperto (1932), il protone, l’elettrone e il fotone. Ma restavano alcuni problemi aperti:
Cosa tiene insieme i protoni e neutroni a formare il nucleo?
Quali sono le forze coinvolte nei decadimenti nucleari radioattivi che danno vita a raggi alfa, beta e gamma?
E’ proprio a partire da quegli anni che, grazie al progresso delle tecniche di rivelazione e alla nascita degli acceleratori di particelle , il numero di particelle osservate direttamente o indirettamente è andato aumentando, fino a raggiungere l’attuale numero di circa 200 (destinato probabilmente ad aumentare).
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L’acceleratore è uno strumento che permette ai fisici di analizzare strutture minutissime in quanto produce particelle di grande momento, e quindi di piccola lunghezza d’onda.
Gli esperimenti di fisica delle particelle studiano le collisioni di particelle di alta energia prodotte negli acceleratori.
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Esplosioni di particelle
Con grande sorpresa dei fisici, gli esperimenti con gli acceleratori rivelarono che il mondo delle particelle era molto ricco; furono scoperti molti tipi di particelle simili a protoni e neutroni (i barioni), e un’intera famiglia nuova, i mesoni. Solo entro la metà degli anni ’60 erano stati identificati circa cento tipi di particelle, e i fisici non conoscevano ancora sistematicamente le forze fondamentali.
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L’ipotesi dei Quark
Nel 1964, due fisici – Murray Gell-Mann e George Zweig – indipendentemente giunsero all’idea che i neutroni, i protoni e tutte le nuove particelle potessero essere riportate a pochi tipi di oggetti ancora più piccoli; Gell-Mann chiamò questi oggetti quark.
Gell-Mann e Zwieg riuscivano a ricondurre tutti i barioni e i mesoni osservati a tre soli tipi di quark (oggi chiamati up, down, e strange) e ai loro corrispondenti antiquark. La caratteristica rivoluzionaria della loro idea era che bisognava assegnare ai quark cariche elettriche di +2/3 e -1/3 (rispetto alla carica del protone): cariche del genere non erano mai state osservate!
Gli antiquark sono i corrispondenti di antimateria dei quark; rispetto ai quark corrispondenti, hanno stessa massa ma carica opposta. Quando un quark incontra il suo antiquark, possono annichilarsi, scomparendo per dar vita a qualche altra forma di energia.
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Modello Standard
Circa trenta anni e molti esperimenti dopo, l’idea dei quark è stata confermata. Ora fa parte del Modello Standard delle particelle e delle forze fondamentali. Nuove scoperte hanno dimostrato che esistono sei tipi di quark (chiamati up, down, strange, charm, bottom e top, in ordine di massa crescente).
Inoltre, ci sono sei tipi di particelle, tra cui l’elettrone, chiamati leptoni.
Il Modello Standard spiega le interazioni forte, debole ed elettromagnetica tra i quark e i leptoni, e in questa maniera rende ragione delle strutture dei legami e dei decadimenti nucleari.
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Le particelle composte da Quark gli androni: barioni e mesoni.
Il motivo per cui cariche elettriche frazionarie come quelle dei quark non sono mai state osservate è che i quark non si trovano mai isolati, ma solo all’interno di particelle composte, chiamate “adroni”. Ci sono due classi di adroni: i barioni, che contengono tre quark, e i mesoni, che contengono un quark e un antiquark. Le tabelle degli adroni all’interno della tavola del Modello Standard presentano alcuni esempi delle molte particelle note. Particelle composte dai primi cinque tipi di quark sono state prodotte e studiate presso gli acceleratori. Il quark top ha massa così grande che, per produrlo, ci sono voluti molti anni e acceleratori di altissima energia. Il quark top è stato finalmente osservato nell’aprile 1995 a Fermilab.
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I leptoni
Diversamente dai quark, ciascuno dei sei leptoni può essere trovato isolato. L’elettrone è il leptone meglio conosciuto. Due altri leptoni carichi il muone (scoperto nel 1936), e il tau (scoperto nel 1975) differiscono dall’elettrone solo per il fatto che hanno massa molto maggiore. Gli altri tre leptoni sono particelle molto elusive, chiamate neutrini, che non hanno carica elettrica, e hanno massa piccolissima, se non nulla. Ad ogni tipo di leptone dotato di carica corrisponde un tipo di neutrino. Per ciascuno dei sei leptoni esiste un antileptone, di massa uguale e carica opposta.
I leptoni di differiscono dagli androni per via delle loro massa estremamente piccola.
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Tabella delle particelle elementari
Non ti sarà sfuggito che sia i quark che i leptoni esistono in 3 serie distinte. Ognuna di queste serie viene chiamata generazione di particelle materiali. Una generazione è una serie di quark e leptoni, un tipo per ogni carica. Ogni generazione è tendenzialmente più pesante della serie precedente.
Tutta la materia visibile nell’universo è composta dalla prima generazione di particelle materiali: quark up e down, ed elettroni. La seconda e la terza generazione sono instabili, e decadono in particelle della prima generazione. E’ per questo motivo che tutta la materia stabile dell’universo è fatta dalle particelle della prima generazione.
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Forze e interazioni.
Ora conosciamo gli elementi che costituiscono la materia, ma dobbiamo ancora chiederci: cosa li tiene insieme?
Tutte le forze sono dovute alle soggiacenti interazioni tra le particelle. Le interazioni sono di quattro tipi: gravitazionale, elettromagnetica, forte e debole. La gravità è probabilmente la forza più familiare, ma non è inclusa nel Modello Standard perché i suoi effetti sono minimi nei processi subatomici e, inoltre, i fisici non sanno ancora come fare ad includerla.
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Forza elettromagnetica
Anche le forze elettromagnetiche sono abbastanza familiari; sono responsabili del legame tra gli elettroni e i nuclei, a formare atomi elettricamente neutri. Gli atomi si combinano a formare molecole o cristalli grazie agli effetti elettromagnetici che agiscono sui loro elementi carichi. Gran parte delle forze che sperimentiamo ogni giorno, come il sostegno del pavimento, o l’attrito, derivano dalle forze elettromagnetiche che si oppongono a che gli atomi o gli elettroni si spostino dalla loro posizione di equilibrio in un materiale.
Nei processi tra le particelle le forze vengono descritte in termini di scambi tra le particelle: ad ogni tipo di forza viene associato un mediatore di forza. Il mediatore della forza elettromagnetica è il fotone; i fotoni di una transizione nucleare sono chiamati “raggi gamma”.
Su distanze molto superiori alla dimensione del nucleo atomico le rimanenti due forze hanno solo effetti minimi — perciò non possiamo notarli ordinariamente. Ma da loro dipende l’esistenza di tutto ciò di cui è fatto il mondo; e da loro dipendono anche i processi di decadimento che rendono instabili certi tipi di materia.
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Interazione forte.
L’interazione forte tiene insieme i quark a formare gli adroni; i suoi mediatori hanno il bizzarro nome di gluoni perché “incollano” i quark (e “colla” in inglese si dice “glue”). Il legame tra neutroni e protoni nei nuclei è un effetto dell’interazione forte residua, dovuto alle intense interazioni tra i quark e i gluoni che li costituiscono. I leptoni non sono soggetti all’interazione forte.
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Interazione debole
L’interazione debole dà vita agli unici processi in cui un quark può cambiarsi in un altro tipo di quark, o un leptone in un altro leptone. E’ responsabile del fatto che tutti i quark e leptoni di grande massa decadano per produrre quark e leptoni più leggeri. Questo è il motivo per cui la materia stabile che ci circonda contiene solo elettroni e i due tipi più leggeri di quark (up e down). I mediatori dell’interazione debole sono i bosoni W e Z. Il decadimento beta dei nuclei è stato il primo processo di interazione debole mai osservato: in un nucleo ove ci sia sufficiente energia, un neutrone diventa un protone ed emette un elettrone e un antineutrino-elettrone. Gli elettroni emessi costituiscono i “raggi beta”
Così ora abbiamo spiegato i raggi beta e gamma: e gli alfa?
Le particelle alfa sono nuclei di elio — prodotti di fissione nucleare. La fissione è il rompersi di un nucleo grosso in nuclei più piccoli; questo avviene quando la somma delle masse dei nuclei più piccoli è inferiore alla massa del nucleo generatore. Questo è un effetto dell’interazione forte residua.
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Questioni aperte
Il Modello Standard risolve molti dei problemi sulla struttura e la stabilità della materia con i suoi sei tipi di quark, sei tipi di leptoni, e quattro tipi di forze.
Ma il Modello Standard lascia aperte molte altre questioni: Perché ci sono tre tipi di quark e di leptoni per ciascuna carica? C’è qualche regolarità nella distribuzione delle loro masse? Ci sono altri tipi di particelle o forze ancora da scoprire con acceleratori più potenti? I leptoni e i quark sono davvero fondamentali, o hanno anche loro una struttura interna? Come possiamo includere nel modello anche l’interazione gravitazionale? Quali particelle costituiscono la materia oscura dell’universo?
Come rientra la gravità nel Modello Standard ?
Sappiamo che nell’universo ci deve essere molta più materia di quella che possiamo osservare. Questa invisibile materia oscura, che cosa è?
Questi problemi spingono i fisici delle particelle a costruire e far funzionare nuovi acceleratori, in modo che collisioni ad un’energia ancora più alta possano fornire tracce per risalire alle risposte.