La particella di zio – parte terza

Nelle precedenti “puntate”, “La particella di zio – parte prima” e “La particella di zio – parte seconda”, ho descritto l’atomo, il suo nucleo e che cosa si apprestavano a fare gli scienziati una volta effettuate quelle scoperte.

Ovviamente gli scienziati non si accontentavano di quello che avevano scoperto, anche perché ad ogni scoperta veniva fuori che mancava qualcosa o, il più delle volte, per effettuare una scoperta venivano messe in gioco energie sempre più alte e strumenti sempre più raffinati che rivelavano qualcosa di nuovo.

Così nacque la fisica delle particelle, e per non tediarvi, non mi dilungherò su ogni singola scoperta ma proverò ad immaginare di dovere, in parole povere e comprensibili, spiegare come funziona il cosiddetto “zoo delle particelle” a mio figlio di quasi sei anni.

Tutte le cose che ci circondano, una pietra, una rondine, una montagna, il mare o i fiori, sono composte da mattoncini chiamati quark. I quark, furono chiamati così da Murray Gell-Mann (New York, 1929), fisico statunitense, uno dei suoi scopritori, a quanto pare perché in quel periodo stava leggendo un brano nonsense chiamato “three quarks for Muster Mark”, dal romanzo Finnegans Wake di James Joyce. La parola, apparentemente senza significato, in realtà è un formaggio tedesco (o una parolaccia tedesca, ma il prodotto non cambia).

Quindi il quark è la componente fondamentale della materia, ogni singola particella (anche quelle che abbiamo già citato, protone e neutrone, ad esempio).

Ci sono diversi tipi di quark. Una coppia si chiama “up (su)” e “down (giù)”. Con due quark up e un quark down si forma un protone. Invece con un quark up e due quark down abbiamo un neutrone.

Supponiamo di prendere dei mattoncini Lego, con i quali mio figlio si diverte a costruire le cose più strane (stamattina ha fatto una caserma, sempre secondo la sua immaginazione, con in cima un elefante e dei fiori nel prato, mentre l’altro giorno ha costruito l’armatura di Iron Man, con tanto di batterie per alimentare il suo “cuore” elettromagnetico e presa d’aria per il condizionamento all’interno della tuta – “altrimenti suda!, ha detto”-).

Il quark up lo rappresentiamo con un mattoncino blu, mentre il quark down lo rappresentiamo con un mattoncino verde. Tra i quark dobbiamo mettere un mattoncino trasparente. Si chiama “gluone”, dall’inglese “glue”, colla. E come la colla, serve a tenere insieme i quark. Il gluone (o meglio, i gluoni, perché ne esistono di otto tipi diversi!) è il messaggero di quell’interazione che chiamiamo «forte», quella che tiene confinati i quark negli adroni. Per due quark uniti all’interno di un adrone, l’interazione forte è diversa, decine di volte più forte dell’attrazione elettromagnetica dovuta alla loro carica elettrica. Ed è talmente forte che nessuno può osservare i quark aggirarsi da soli. Si ritrovano solo in compagnia all’interno degli adroni, e questa è una delle ragioni per cui ci è voluto parecchio tempo per immaginarne l’esistenza, e per verificarla con un’evidenza sperimentale.

In fisica un adrone (dal greco “ἁδρός”, hadrós, cioè forte) è una particella subatomica soggetta alla forza nucleare forte e formata da quark: i protoni e i neutroni sono per esempio adroni. Esistono altri adroni, ma continuiamo a vedere come combinare i mattoncini.

Intanto prendiamo un mattoncino giallo e facciamogli fare l’elettrone. Nell’atomo di idrogeno, per esempio avremo le due combinazioni di mattoncini illustrate prima con l’idrogeno che gli gravita intorno. Ma per essere completi, dobbiamo prendere un altro mattoncino grigio e lungo e fargli fare la parte del fotone.

Anche i fotoni sono “messaggeri”, ma dell’interazione elettromagnetica, responsabili di tenere insieme i nuclei e gli elettroni dentro gli atomi.

Ora pensiamo ad un bicchiere d’acqua. Dentro ci sono approssimativamente tre milioni e cinquecento mila miliardi di miliardi di molecole di acqua, a loro volta composte da due atomi di idrogeno (che è il più semplice) e un atomo di ossigeno (otto volte quello di idrogeno), atomi che come abbiamo visto sono composti da protoni, neutroni, a loro volta composti da triplette di quark, ed elettroni. Tanta roba!

Esistono altri quark, ma prima di descriverli, torniamo un attimo ai due che avevamo già visto, l’up e il down. In realtà c’è un terzo messaggero, un mattoncino giallo di nome “bosone W”. In pratica, quando, all’interno di un protone, un quark cambia “stato” e si trasforma da “up” a “down”, lo fa emettendo una particella chiamata “bosone” W. E visto che il bosone W si porta via anche la carica elettrica, un protone (due up e un down, ricordate?) diventa un neutrone (due down e un up).

Per trasformare invece un neutrone in un protone il processo è un po’ più complesso, ma per semplificare vi dico solo che abbiamo bisogno di un altro messaggero, un mattoncino più tozzo, chiamato “bosone Z”. Nel 1984, mentre io entravo alla “Scuola Militare Nunziatella”, il fisico italiano Carlo Rubbia veniva insignito del premio Nobel per la fisica proprio per la scoperta dei bosoni. E pensare che Rubbia, al concorso per entrare all’università, era il primo dei non ammessi. Poi un posto resosi vacante ha fatto il resto (e la storia della fisica!).

Nella trasformazione da neutrone a protone in realtà le cose sono un po’ più complicate, e qui entrano in gioco le anti-particelle. Le particelle, per loro natura, sono molto simili tra di loro, ma hanno sempre una caratteristica che li contraddistingue, sia essa la carica elettrica, la massa o lo spin. Quest’ultimo è una specie di momento angolare e, pur non esistendo una grandezza corrispondente in meccanica classica, per analogia richiama la rotazione della particella intorno al proprio asse.

Un’antiparticella è una particella che corrisponde per massa a una delle normali particelle, ma è caratterizzata da alcuni numeri quantici opposti, come la carica elettrica o lo spin. Esiste un’antiparticella per ognuna delle particelle conosciute; l’insieme delle antiparticelle compone l’antimateria.

Detto questo, andiamo avanti.

I protoni e i neutroni, formati da tre quark ciascuno, ogni tanto nascondono altri tipi di quark. Gli scienziati se ne accorsero usando energie sempre più elevate e facendo sbattere i protoni contro sottili fogli di alluminio. Dopo l’urto, dall’altra parte del bersaglio, apparivano protoni, neutroni, elettroni, positroni (detti anche antielettroni o positoni, cioè le antiparticelle degli elettroni), e persino neutrini.

In fisica delle particelle il neutrino è una particella subatomica elementare di massa piccolissima e carica elettrica nulla. Una Stella riesce a brillare nel corso di miliardi e miliardi di anni senza mai spegnersi né saltare in aria. Il nostro Sole continuerà a brillare per altri 5 miliardi di anni, dopo i 5 già passati a brillare. Una cosa poco nota è che il Sole brilla più di neutrini che di luce. Sono i neutrini che evitano al Sole di saltare in aria. Mentre io sto scrivendo questo articolo, su ogni centimetro quadrato di superficie del mio corpo arrivano 60 miliardi di neutrini al secondo. Con gli occhi non possiamo vederli, ma se i nostri occhi fossero sensibili ai neutrini per noi sarebbe sempre giorno.

Tra questa folla di particelle risultanti però spuntavano ogni tanto anche altre particelle mai viste prima. Tornando all’esempio dei mattoncini colorati, ogni tanto spuntava un mattoncino quadrato blu, di quelli che abbiamo usato fino ad adesso, e un mattoncino quadrato rosso, attaccati con i soliti gluoni. Oppure un mattoncino quadrato verde e uno rosso. Oppure, un mattoncino blu, uno verde e uno rosso.

I fisici iniziarono a chiamare quelle particelle elementari, i mattoncini rossi, “strange”, cioè strane (perché allora non ci capivano molto). Un mattoncino quadrato verde e uno rosso, o uno blu attaccato a uno rosso fanno una particella detta “kaone” (cambia la carica tra una e l’altra combinazione), mentre un mattoncino blu, uno verde e uno rosso fanno una particella chiamata “lambda”.

Ogni combinazione di quark può dare una particella differente. Si possono prendere tre mattoncini del colore che preferisce, oppure due, ricordandosi che uno dei due deve essere un anti-quark. Nel primo caso costruisce una particella che i fisici chiamano “barione”, nell’altro un “mesone”. Insieme compongono quelli che dicevo prima, cioè gli “adroni”.

Aggiungiamo al gioco un mattoncino viola. I fisici lo hanno chiamato “charm”, che vuol dire affascinante. Anche questo quark si può aggiungere ad altri e creare così nuove combinazioni.

Lo so che a qualcuno gira la testa. È per quello che, per esempio, al Dipartimento di Fisica dell’università di Tor Vergata, che io ho frequentato negli anni ‘90, ci sono solo sessanta matricole all’anno, solo un terzo delle quali giunge alla laurea. Se fosse materia semplice, non sarebbe così complicata (lapalissiano, vero?).

Per chiudere con i quark, ne esiste un’altra coppia: mattoncino nero e mattoncino grigio, il quark “beauty”, bellezza, e il quark “truth”, verità.

Ricapitoliamo.

Allineiamo tre mattoncini gialli, in ordine di grandezza crescente: saranno l’elettrone, il muone e la particella tau. Sopra ognuno di essi mettiamo un piccolo pezzo rotondo e trasparente di diverso colore, rosso, blu, verde: il neutrino dell’elettrone, quello del muone, e quello della tau. Tutti questi sono chiamati leptoni, cioè particelle che oggi appaiono prive di struttura e indivisibili (e pertanto fondamentali) e non influenzate dalla forza forte. Sono tre famiglie, ognuna formata da una particella con carica elettrica e dotata di una certa massa, e da un compagno neutrino, leggerissimo ed elettricamente neutro.

Di fianco tre coppie di mattoncini quadrati: sono i quark: la coppia blu e verde, cioè “up” e “down”, allineati all’elettrone. La coppia viola e rosso, “charm” e “strange”, allineata al muone e al suo neutrino. Infine, sistemo un mattoncino nero e uno grigio, il quark “beauty” e il quark “truth”, nella posizione che tra i leptoni è occupata dalla particella tau. Adesso anche la compagine dei quark è completa. Come per i leptoni, ci sono tre famiglie, ognuna composta da una coppia di quark.

I componenti della materia sono così completi, anche se in realtà ad ogni mattoncino andrebbe affiancato il suo mattoncino al contrario ad indicare una particella uguale in tutto, tranne per il segno, la cosiddetta “antiparticella”.

Mancano i messaggeri.

Un mattoncino chiaro e sottile è il fotone: messaggero dell’interazione elettromagnetica, quella che mette in relazione, con un’attrazione o una repulsione, a seconda del segno della carica elettrica, le particelle cariche, quindi i tre leptoni carichi (elettrone, muone e tau) e tutti i quark. Ogni particella con una carica elettrica può emettere e assorbire un fotone, mentre un fotone con sufficiente energia può trasformarsi in una coppia composta da una qualunque particella carica, e dalla sua antiparticella. Poi prendiamo un mattoncino quadrato, sottile e trasparente: si chiama gluone. Serve a tenere insieme i quark negli adroni.

Sotto il gluone mettiamo il bosone W e quello Z, mediatori dell’interazione responsabile di certe forme di radioattività, che chiamiamo interazione “debole”, perché la sua portata è decisamente corta: l’intensità dell’interazione debole tra due quark confinati in un adrone è circa mille volte inferiore di quella elettromagnetica, e diminuisce drammaticamente se li allontanate un po’.

Ciò che il bosone W fa è trasformare ogni membro delle sei famiglie di particelle allineate sul tavolo nel suo compagno. Un elettrone che emette un bosone W si trasforma in un neutrino elettronico, un quark up in un quark down, e così via. Con un meccanismo analogo, una volta prodotto, un bosone W si disintegra in una coppia familiare: un muone e un (anti-)neutrino muonico, per esempio, oppure un quark charm e un (anti-)quark beauty. Il bosone W ha anche lui una carica elettrica, positiva o negativa: il bosone W emesso da un elettrone si porta via la sua carica elettrica negativa, lasciando sul campo un neutrino elettronico, privo di carica elettrica.

Il bosone Z trasmette la stessa interazione debole del bosone W, ma è elettricamente neutro. Quando viene emesso, non trasforma la particella da cui proviene, ma la lascia inalterata. A sua volta, invece di disintegrarsi nella coppia di particelle di una certa famiglia, preferisce generare una coppia particella-antiparticella, in modo del tutto simile a ciò che fa il fotone. Le somiglianze con il fotone sono tali che i fisici a un certo punto hanno sospettato che l’interazione elettromagnetica e quella debole fossero due facce dello stesso fenomeno, che hanno battezzato “interazione elettrodebole”. La differenza principale tra la manifestazione elettromagnetica e quella elettrodebole va cercata nella massa dei diversi messaggeri, che determina la portata dell’interazione. Il fotone, senza massa, trasporta l’interazione elettromagnetica a distanze virtualmente infinite. I bosoni W e Z hanno entrambi una massa considerevole, pari rispettivamente a circa ottanta e novanta volte quella del protone. Questa massa limita enormemente l’intensità della loro azione, il loro spazio di manovra, e la durata della loro vita.

Per i fisici le cose non sono state così semplici come allineare dei mattoncini. Occorreva fare ordine nello “zoo”, trovare una logica nelle particelle che venivano scoperte l’una dietro l’altra, apparentemente senza uno schema definito. È stato un esercizio molto lungo, che ha coinvolto intere generazioni di scienziati.

Ultima scoperta, la particella Xi.

Proprio in questi giorni, al Cern, grazie alla più potente macchina del mondo nota come Lhc (Large Hadron Collider), il gruppo LHCb ha scoperto un nuovo mattoncino nell’Universo Subnucleare. È dotato di carica elettrica doppia rispetto ai protoni del nostro corpo. Ma perché la sua scoperta è così importante?

Ricordate quanti sono i quark? Sei. E da quanti quark è composta la materia? Due. E gli altri quattro? Avevamo detto che la combinazione di alcuni degli altri quark dava come risultato i barioni.

Il termine barione deriva dal greco βαρύς (barùs), che significa “pesante”, e fu dato alle particelle caratterizzate da una massa maggiore rispetto alle altre fino ad allora conosciute. I barioni più noti sono i protoni e i neutroni (sempre loro), che costituiscono la maggior parte della massa della materia visibile nell’universo (l’altro componente maggiore degli atomi, l’elettrone, ha massa circa 1800 volte inferiore).

Ma esistono anche altri barioni, solo che finora avevano presentato al massimo un solo quark pesante, al loro interno. All’appello mancava una particella che fosse composta invece da due quark pesanti, come il quark charm.

La particella “generica” Xi può avere molte combinazioni di quark. Quella appena trovata è appunto composta da due quark charm più un quark più leggero (up, in questo caso), ed è pesante tre volte e mezzo un protone (o un neutrone). L’aspetto sorprendente della scoperta è che i due quark pesanti al suo interno (i due charm, da cui il fascino… doppio!) ruotano l’uno attorno all’altro in una danza armoniosa, come in un sistema di stelle binario, attorno al quale ruota a sua volta il quark u.

Questa scoperta aiuterà a comprendere più in profondità i meccanismi che regolano proprio l’interazione forte, quella che spiega l’esistenza della materia, descritta da una fisica che prende il nome di “cromodinamica quantistica”.

Ma questa, è un’altra storia…

Liberamente ispirato da “Particelle familiari. Le avventure della fisica e del bosone di Higgs, con Pulce al seguito”, di Marco Delmastro.

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