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www.ibeans.it  di Pippo Panascì   

Rif.  “La scienza per tutti “  Robert M.Hazen – James Trefil Ed CDE Spa su licenza Longanesi & C

La fisica delle particelle

 

NELLE viscere della terra al di sotto del terreno collinoso della Ellis County a sud di Dallas, nel Texas, sta cominciando a prender forma un progetto di costruzione gigantesco. Mi­liardi di dollari dei contribuenti americani saranno spesi per scavare un tunnel circolare lungo 84 km destinato ad allog­giare il massimo laboratorio di fisica del mondo. Il Supercon­ducting SuperCollider (ssc) è il più grande progetto di co­struzione di alta tecnologia mai tentato finora. Se verrà por­tato a compimento, sarà la macchina più importante su que­sta particolare frontiera della scienza sino al XXI secolo inol­trato. Il costo previsto (8 miliardi di dollari o più, ossia circa 30 dollari per ogni cittadino - uomo, donna o bambino ­degli Stati Uniti) ha però scatenato molte discussioni sia al­l'interno ~ia all'esterno della comunità scientifica.

Scoprire la natura della materia è un po' come desquama­re una cipolla. Gli atomi sono composti da elettroni e da nuclei. I nuclei, pur essendo composti principalmente da neutroni e pro toni, sono luoghi complessi in cui turbinano centinaia di tipi diversi di particelle elementari, le quali ven­gono create e assorbite in ogni istante. E queste stesse parti­celle non sono in verità «elementari », ma sono composte da cose ancora più elementari.

Oggi siamo in procinto di scoprire la teoria definitiva, nota come «Teoria di Tutto» (Theory 0/ Everything), la quale po­trebbe fornirci, dopo una ricerca di due millenni, una com­prensione dettagliata di come il nostro universo è costruito e ordinato al livello più fondamentale. Alla base di tale teoria c'è un'idea chiave:

 

Tutto è composto in realtà da quark e leptoni.

 

Nuclei e particelle subnucleari

Protoni e neutroni sono solo due delle decine di particelle diverse presenti all'interno del nucleo di ogni atomo. A co­minciare dagli anni cinquanta la frontiera della fisica si èspostata da uno studio delle proprietà dei nuclei a uno studio delle particelle che si trovano al loro interno: un campo chiamato fisica delle particelle elementari, o fisica delle alte energie. Questa rimane la frontiera di oggi, anche se attual­mente sappiamo su queste particelle molto di più di quanto sapevamo quarant'anni fa.

Lo studio delle particelle che compongono il nucleo ebbe inizio negli anni trenta, quando i fisici studiavano i raggi cosmici. Queste particelle ad alta velocità, principalmente protoni, vengono prodotte nelle stelle e investono di conti­nuo la Terra dallo spazio. Quando una particella dei raggi

cosmici colpisce un nucleo, possono accadere due cose: 1)

essa può rompere il nucleo, proiettandone intorno le parti­celle componenti e dando in tal modo agli scienziati un'op­portunità di osservarle; e 2) una parte dell'energia cinetica della particella dei raggi cosmici può essere convertita in massa creando nuove particelle.

Per ricordare sinteticamente i punti salienti di una lunga storia, negli anni cinquanta gli scienziati avevano osservato decine di nuovi tipi di particelle prodotte da collisioni di raggi cosmici con nuclei atomici. Tutte queste particelle era­no instabili: esse sopravvivevano solo per breve tempo e poi decadevano, come i nuclei radioattivi, dando origine a vari tipi di altre particelle. Oggi gli scienziati costruiscono grandi macchine chiamate acceleratori per produrre fasci di protoni o di elettroni da usare come proiettili, in sostituzione dei raggi cosmici, per colpire nuclei o atomi. Di conseguenza l'elenco delle particelle elementari è salito a varie centinaia.

In questa proliferazione di particelle «elementari» diven­tano chiare alcune regole generali di organizzazione. Esisto­no fondamentalmente due tipi di particelle: quelle implicate nella struttura (e sono la grande maggioranza) e quelle implicate in forze.

Il protone, il neutrone e l'elettrone, tutti componenti fondamentali dell'atomo, sono esempi del pri­mo tipo di particelle. Li si può pensare, congiuntamente ad altre particelle, come i mattoni con cui è costruito l'universo: le cose che, messe insieme in diverse configurazioni, com­pongono tutto ciò che esiste.

Il fotone - il quanto della luce comune - rientra nella seconda classe di particelle. Come vedremo fra poco, il tra­sferimento di fotoni fra oggetti carichi .crea la forza elettro­magnetica che, tra le altre cose, tiene gli elettroni nelle loro orbite. Il fotone e le particelle della sua classe sono quindi il cemento dell'universo, di cui tengono assieme i mattoni. Nel gergo della fisica delle particelle, sono chiamati particelle di gauge. Fra i « mattoni» c'è un'altra distinzione importante. Alcu­ne particelle, come il protone e il neutrone, esistono all'in­terno del nucleo e prendono parte al maelstrom nucleare.

 

 

Noi chiamiamo tali particelle adroni, ossia (dal greco) parti­celle che partecipano all' « interazione forte ».

Altre particel­le, come l'elettrone, non sono normalmente implicate nel­l'attività che ha luogo nel nucleo ma rimangono isolate dal­l'attività che vi ha luogo.

Chiamiamo tali particelle leptoni, ossia (dal greco) particelle soggette alla sola

“ interazione debole ".

I fisici hanno un pregiudizio particolarmente forte sulla natura:

essi sono convinti che, nella sua realtà profonda, la natura sia semplice.

Man mano che si scoprivano nuove par­ticelle « elementari» subatomiche, però, le cose sembravano complicarsi sempre più.

I fisici contarono almeno quattro famiglie di particelle di gauge (il fotone, altre particelle chia­mate bosoni W e Z, il gluone e il gravitone) e sei diversi leptoni (l'elettrone, le particelle mesone mu e mesone tau, più i tre neutrini - elettronico, muonico e tauonico - asso­ciati a queste particelle), oltre a centinaia di adroni diversi turbinanti all'interno del nucleo. Ma centinaia di particelle non possono essere tutte elementari, giacché in tal caso sa­rebbe violata la convinzione centrale dei fisici che la natura debba essere semplice.

Quando, verso la fine degli anni ses­santa, vennero in luce tipi di regolarità fra le centinaia di adroni, gli scienziati si resero conto che gli adroni non sono essi stessi elementari, ma sono in realtà collezioni di cose ancor più elementari.

Noi oggi chiamiamo questi componen­ti più elementari «quark» (il termine deriva da un verso citato nel romanzo di James Joyce Finnegan's Wake).

 

Alla fine i fisici poterono tirare un respiro di sollievo col­lettivo.

L'idea del quark è semplice: esistono solo sei tipi di­versi di quark, e configurazioni diverse di questi sei compo­nenti semplici compongono tutte le centinaia di adroni, pro­prio come i mattoni possono essere combinati per costruire una varietà infinita di edifici.

Il protone e il neutrone, per esempio, sono composti ciascuno da tre quark.

I sei tipi di quark (o «sapori», per usare l'espressione fantasiosa dei fisici) compaiono in tre coppie, con i seguenti nomi: su (uP) e giù (down), strano (strange) e incanto

(charm), basso (bottom) e alto (top). Particelle contenenti i primi cinque sapori di quark sono state osservate in labora­torio, mentre è attualmente in corso una ricerca di particelle contenti il quark «alto ».

Così, in definitiva, ogni cosa è composta da quark e da leptoni. I quark si combinano a formare adroni, e gli adroni si combinano a formare nuclei di atomi. Gli elettroni (che sono leptoni) si muovono in orbite specifiche attorno a nuclei a formare atomi, e gli atomi si uniscono a formare tutto il numero infinito di cose che vediamo attorno a noi. Dopo un millennio e mezzo di tentativi per rispondere alla domanda «Che cos'è la materia? », molti fisici credono che siamo vicini alla risposta finale, che abbiamo sollevato l'ultima squama della cipolla cosmica. Il tempo ci dirà se hanno ragione.