Le Particelle Elementari

Da cosa è costituita la nostra realtà materiale secondo l'attuale visione scientifica? Dalle particelle elementari, la cui grandezza è infinitesimale rispetto all'ambito percettivo dei nostri sensi. Sono dette "elementari" in quanto si considera che non possano essere a loro volta suddivise.
    
L'idea che la Natura sia formata da elementi indivisibili e di grandezza infinitesimale era già presente nella teoria atomistica (dal greco a-tomos = non-divisibile) di Leucippo e Democrito del V-IV secolo a.C. Gli atomi erano considerati come le particelle originarie dell'universo, con caratteristiche di omogeneità, compattezza, indivisibilità, semplicità, la cui natura era concepita come eterna ed immutabile. Tali particelle esistevano da sempre e per sempre sarebbero esistite.

A partire dal 1803, il chimico e fisico inglese John Dalton rielaborò la teoria e fondò la teoria atomica moderna, secondo cui: "Un atomo è la più piccola parte di un elemento che mantiene le caratteristiche fisiche di quell'elemento". La teoria di Dalton si basava su cinque punti:

1. La materia è formata da atomi piccolissimi, indivisibili e indistruttibili.
2. Tutti gli atomi di uno stesso elemento sono identici e hanno uguale massa.
3. Gli atomi di un elemento non possono essere convertiti in atomi di altri elementi.
4. Gli atomi di un elemento si combinano, in un composto, solamente con numeri interi di atomi di altri elementi.
5. Gli atomi non possono essere né creati né distrutti, ma si trasferiscono interi da un composto ad un altro.

Pur contenendo degli errori rimane la prima, accurata, teoria moderna sugli atomi. In seguito si comprese che gli atomi non erano indivisibili, ma che dovevano essere costituiti da più componenti, nascono così i vari modelli che si sono succeduti nel tempo, qua sotto schematizzati.

(1) Modello di Thomson (1902) - Massa indistinta a carica positiva al cui interno erano sparsi gli elettroni (modello a "plum pudding"), l'atomo è visto come un qualcosa di solido e compatto.

(2) Modello di Rutherford (1910) - L'atomo è per lo più vuoto e la sua massa è concentrata nel nucleo, gli elettroni orbitano attorno. Rutherford non considera i neutroni, perché furono scoperti da Chadwick solo nel 1932. Secondo le leggi classiche gli elettroni sarebbero dovuti però precipitare sul nucleo.

(3) Modello di Bohr (1913) - Modello planetario in cui gli elettroni possono occupare solo orbite quantizzate. La quantizzazione risolve il problema del collasso degli elettroni sul nucleo.

(4) Modello di Schrödinger (1926) - La struttura ad orbitali diventa una sorta di pulviscolo elettronico indefinito attorno al nucleo, determinabile solo all'atto della misura.

Esistono due classi fondamentali di particelle in fisica:

1) le particelle che costituiscono la materia, dette fermioni

(in onore del fisico italiano Enrico Fermi);

2) le particelle che fungono da mediatrici delle forze, dette bosoni

(in onore del fisico indiano Satyendra Nath Bose).

Precisazione - In effetti la Fisica Quantistica ha chiarito che non ha senso parlare di particelle o di onde, perché le due definizioni sono intercambiabili. Come la luce - ritenuta un'energia ondulatoria - ha dimostrato di potersi comportare come una particella, così l'elettrone - ritenuto una particella di materia - ha dimostrato di potersi comportare come un'onda. Correttamente possiamo quindi dire che l'Universo è costituito da materia e da energia entrambe esprimibili sia come particelle che come onde.

Per essere più specifici nella definizione delle particelle elementari, sono FERMIONI tutte le particelle con spin semi-intero (1/2, 3/2, …), il cui comportamento è descritto dalla statistica di Fermi-Dirac.

Lo spin è un movimento rotatorio intrinseco della particella (detto "momento angolare"), un po' come la terra che gira su se stessa, con la sola differenza che queste particelle sono puntiformi e quindi il movimento non è visibile. La necessità di calcoli statistici per descrivere il loro comportamento nasce dal fatto che non possono essere studiate una ad una, ma - come per i gas - possiamo solo studiarne il comportamento globale più probabile (ad es. per prevedere come si distribuirà l'energia).

Nota - il momento angolare intrinseco di una particella si misura in unità "acca-tagliato" ed ha le dimensioni di un'energia per un tempo (Joule per secondo). ħ = 1,055 x 10-34 J s.

Sono BOSONI tutte le particelle con spin intero (0,1,2,…), il cui comportamento è descritto dalla statistica di Bose-Einstein.

I fermioni obbediscono al principio di esclusione di Pauli, il quale afferma che due fermioni identici non possono occupare simultaneamente lo stesso stato quantico. In virtù di questo principio le particelle materiali non possono compenetrarsi tra loro e questo determina, in larga misura, l'aspetto della realtà come noi la conosciamo.

I bosoni invece NON obbediscono al principio di esclusione di Pauli, sono quindi liberi d'affollare in gran numero uno stesso stato quantico. Questo accade, ad esempio, nella luce laser. Un'ulteriore differenza tra le due classi è che i fermioni hanno una massa, mentre i bosoni per lo più ne sono privi.

E' da notare che una particella composta può essere sia un fermione che un bosone (e quindi rispondere a comportamenti molto diversi tra loro) a seconda che sia formata da un numero pari o dispari di particelle fermioniche. Ad esempio l'Elio-4 (4He) ha il nucleo composto da 2 neutroni + 2 protoni e poiché sia i neutroni che i protoni hanno spin ½ lo spin totale del nucleo è un intero, quindi è un bosone. In virtù di questo può diventare superfluido, formando un cosiddetto condensato di Bose-Einstein.

FERMIONI

I fermioni elementari conosciuti si dividono in due gruppi: quark (che costituiscono i protoni e i neutroni) e leptoni (come gli elettroni). Il termine leptone viene dal greco leptos = sottile, leggero.

QUARK - I quark si classificano in tre famiglie, delle quali la prima compone la materia conosciuta, mentre le altre due esistono solo nelle collisioni ad alta energia (si producono tramite i raggi cosmici o negli acceleratori di particelle); si ritiene che fossero presenti nei primi istanti del Big Bang.

• Prima Generazione - quark up (u) e quark down (d);
• Seconda Generazione - quark strange / Sideways (Lato) (s) e quark charm / Centre (Centro) (c);
• Terza Generazione - quark bottom / Beauty (Bellezza) (b) e quark top / Truth (Verità) (t).

I quark in Natura non si trovano mai in forma isolata, ma solo in forme composte a creare particelle più pesanti, come ad es. i protoni (uud) o i neutroni (ddu).

Nota - Il termine quark, proposto dal fisico statunitense Murray Gell-Mann (scopritore di tali particelle assieme a George Zweig) è stata suggerita da una frase senza senso contenuta nel romanzo Finnegans Wake di James Joyce: "Three quarks for Muster Mark!".

LEPTONI - Anche i leptoni si suddividono in tre famiglie, di cui la prima è la sola che si trovi in Natura.

• Prima Generazione - elettrone (e) e neutrino elettronico (νe);
• Seconda Generazione - muone (μ) e il neutrino muonico (νμ),
• Terza Generazione - tau (τ) e il neutrino tauonico (ντ).

I neutrini che vediamo associati a elettroni, muoni e tauoni (le ultime due particelle sono in pratica degli "elettroni pesanti") sono particelle neutre considerate inizialmente senza massa - ma sembra che la abbiano seppur piccolissima - e che Fermi definì così come diminutivo del nome di un'altra particella neutra, il neutrone, assai più conosciuta e molto più massiva. Il neutrino gioca un ruolo importante nei processi di decadimento delle particelle, al fine di conservare dell'energia totale delle reazioni.

Per avere un quadro più completo di questa classificazione - conosciuta appunto come Modello Standard - c'è anche da considerare che per ogni particella esiste un'anti-particella di carica opposta. Abbiamo quindi degli antiquark e degli antileptoni che seguono le medesime generazioni viste sopra.

Qualora una particella e la corrispondente antiparticella dovessero scontrarsi cesserebbero di esistere (processo detto di annichilazione) liberando una grandissima quantità di energia.

ALTRE DEFINIZIONI

Nucleoni - le particelle che fanno parte del nucleo atomico (protoni e neutroni).

Adroni (dal greco adros = ingombrante, massiccio) - sono le particelle soggette alla forza nucleare forte, composte da quark, antiquark e gluoni (mediatrice dell'interazione forte appunto). Tra gli adroni ritroviamo sia i barioni (composti da tre quark, vedi la voce corrispondente) che i mesoni (particelle instabili fatte da un quark e un antiquark). La differenza tra mesoni e barioni è che i primi hanno spin intero (sono bosoni) mentre i secondi semi-intero (sono fermioni).

Mesoni - come appena specificato sono particelle composte da un quark e un antiquark. Un tempo si pensava fossero le mediatrici dell’interazione forte, non è così ma in effetti giocano un ruolo importante per tale forza. Alcuni mesoni: Pione (π), Kaone (K), Mesone eta (η), Mesone D (D), Mesone B (B).

Barioni (dal greco baryos = pesante) - particelle pesanti composte da tre quark, le più note sono protoni e neutroni, altre sono le particelle Delta (Δ), Lambda (Λ), Sigma (Σ), Xi (Ξ), Omega (Ω), con tutte le loro varianti. Queste ultime si vedono solo negli esperimenti e non esistono a condizioni ordinarie.

Iperioni - sono i barioni più pesanti come ad esempio le particelle Lambda, Sigma, Omega, Csi.

E' molto interessante notare che l'unificazione delle forze fondamentali non trova spazio in un Universo con 3 dimensioni spaziali e risulta necessario introdurre nuove dimensioni dello spazio definite "extra", fino a ieri viste dai fisici come ipotesi di fantascienza ed oggi accettate come più che probabili!

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