Particelle elementari

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Particelle elementari Espressione usata per indicare in generale le particelle subatomiche, ma che più propriamente designa i costituenti della materia privi di struttura interna e quindi considerati indivisibili. La fisicadelle particelle elementari, cioè lo studio delle particelle elementari e delle loro interazioni, è anche nota come fisica delle alte energie poiché, come diretta conseguenza del principio di indeterminazione, l'analisi dei fenomeni microscopici richiede l'uso di energie estremamente elevate.

Verso la fine del XIX secolo le scoperte della radioattività e dell'elettrone provarono l'esistenza di una complessa struttura interna di atomi e molecole. Gli studi che seguirono questi risultati sfociarono nella grande conquista della teoria quantistica (1925-1930) e nelle successive indagini sul comportamento del mondo microscopico. L'analisi della struttura del nucleo atomico giunse a un grado di conoscenza tale da consentire lo sfruttamento dell'energia nucleare sia a scopi pacifici sia nel progetto delle armi nucleari. Negli anni che seguirono la seconda guerra mondiale, lo studio delle particelle elementari fu finalizzato alla comprensione della struttura del nucleo atomico.

I protoni e i neutroni sono i costituenti fondamentali del nucleo atomico; nell'atomo gli elettroni si trovano intorno al nucleo in orbite stabili corrispondenti a livelli energetici definiti. I fotoni sono i costituenti dellaradiazione elettromagnetica, denominazione con cui si indicano tutti i tipi di emissione dello spettro elettromagnetico. Il neutrone non decade se è parte di un sistema più complesso, quale il nucleo stabile di un atomo, ma isolato ha vita media di 917 secondi e si disintegra in un protone, un elettrone e un antineutrino elettronico, secondo la reazione di decadimento

n ± p + e + Xe

Nel 1930 Paul A.M. Dirac ipotizzò, in base a considerazioni puramente teoriche, che a ogni particella elementare fosse associata una antiparticella con caratteristiche simili, ponendo le basi per la teoria dell'antimateria. L'ipotesi di Dirac trovò le prime conferme sperimentali con la scoperta del positrone, l'antiparticella dell'elettrone, che fu individuata nel 1932 dal fisico americano Carl D. Anderson, e dell'antiprotone, scoperto nel 1955 dai fisici Owen Chamberlain ed Emilio Segré. La teoria dell'antimateria può essere estesa a tutte le particelle, benché alcune di esse, ad esempio il fotone, coincidano con la propria antiparticella e rappresentino quindi un caso particolare. La notazione generalmente usata per denotare un'antiparticella consiste in una barra sopra il simbolo della particella corrispondente; così Xe è l'antiparticella di ve.

In relazione al valore dello spin, si distinguono bosoni, caratterizzati da spin intero, e fermioni, con spin semidispari.

Con il termine interazioni si intendono tutti quei processi in cui le particelle elementari esercitano forze l'una sull'altra o danno vita a fenomeni di creazione o annichilazione. Si conoscono quattro tipi di interazioni: le interazioni nucleari, o forti, sono le più intense; esse legano i protoni e i neutroni all'interno del nucleo atomico e sono quindi responsabili delle reazioni nucleari. Meno intense sono le interazioni elettromagnetiche, che intervengono nei legami tra elettroni e nucleo all'interno di atomi e molecole e sono quindi coinvolte nelle reazioni chimiche. Le cosiddette interazioni deboli governano uno dei decadimenti radioattivi del nucleo atomico, osservato per la prima volta da Antoine H. Becquerel, Pierre e Marie Curie. L'interazione gravitazionale infine è importante a livello macroscopico, ma è la più debole delle interazioni tra particelle elementari.

Nella meccanica classica l'evoluzione di un sistema fisico rispetta i principi di conservazione dell'energia, della quantità di moto e del momento angolare; questi principi si traducono, dal punto di vista matematico, in condizioni imposte alle soluzioni delle equazioni di Newton che descrivono il moto del sistema stesso. Nella fisica delle particelle elementari, sussistono, oltre a quelle classiche, altre leggi di conservazione; tali leggi furono essenziali nello sviluppo della teoria e nella scoperta di nuove particelle; il neutrino ad esempio fu ipotizzato in seguito a un'apparente violazione dei principi di conservazione nei processi di decadimento beta.

Fino all'inizio del XX secolo, i principi di simmetria sono sempre stati applicati quasi esclusivamente a problemi di meccanica dei fluidi e cristallografia. Dopo il 1925 i fisici scoprirono che l'analisi delle simmetrie che si manifestavano nella struttura di atomi e molecole portava alla definizione di numeri quantici (che descrivono lo stato atomico) e di regole di selezione (che descrivono le transizioni atomiche), fondamentali nei processi atomici e nucleari. È importante osservare che a ogni principio di conservazione corrisponde una particolare proprietà di simmetria del sistema.

Ad esempio, supponiamo che una reazione (una collisione, o un'interazione) tra due particelle A e B aventi rispettivamente quantità di moto pA e pB abbia probabilità fissata di produrre altre due particelle, C e D, con momenti caratteristici pC e pD. Si indichi questa reazione con R

A + B ± C + D (R)

e si tenga presente che invertire il segno delle coordinate spaziali significa modificare nello stesso modo il segno delle quantità di moto. La reazione conserva la parità se le particelle A e B, con momenti -pA e -pB, interagiscono producendo le particelle C e D con momenti -pC e -pD, con la stessa probabilità con cui avviene la reazione R.

Il principio di simmetria per coniugazione di carica può essere illustrato facendo ancora riferimento alla generica reazione R. Se le particelle A, B, C e D vengono sostituite con le rispettive antiparticelle A, B, Ç e D, la reazione R (reazione che non è detto che possa realmente verificarsi) diventa

A + B ± Ç + D C(R)

C + D ± A + B T(R)

Le simmetrie che caratterizzano i quattro tipi di interazioni fondamentali conosciuti sono molto diverse tra loro. Prima del 1957 si credeva che la simmetria per riflessione spaziale (o conservazione della parità) fosse rispettata da tutti i tipi di interazione. Nel 1956 i fisici cinoamericani Tsung Dao Lee e Chen Ning Yang fecero notare che la conservazione della parità non era rispettata nelle interazioni deboli e suggerirono una serie di esperimenti per verificare quest'osservazione. L'anno successivo fu provato che le interazioni deboli violano il principio di conservazione della parità. Come conseguenza fu possibile determinare una stretta relazione tra direzione dello spin e senso del moto per tutte le particelle coinvolte in questo tipo di interazione. In particolare, il neutrino elettronico ve e quello muonico vµ, che sono particelle elementari coinvolte in interazioni esclusivamente di tipo debole o gravitazionale, hanno sempre lo spin rivolto in verso opposto al senso del moto. I fisici americani James W. Cronin e Val L. Fitch e i loro collaboratori scoprirono nel 1964 che l'interazione debole non conserva neppure la simmetria per inversione temporale.

Nel 1963 i fisici americani Murray Gell-Mann e George Zweig proposero, indipendentemente l'uno dall'altro, che i barioni e i mesoni fossero costituiti da unità di materia ancora più piccole, chiamate quark. In seguito furono trovate numerose evidenze sperimentali del modello a quark, tuttavia la tappa fondamentale fu nel 1974 la scoperta della J/Y: in questa particella fu infatti osservato un nuovo quark. Attualmente è riconosciuta l'esistenza di sei tipi diversi di quark.

Prima della metà del XIX secolo si pensava che le forze agissero soltanto per interazione a distanza. Lo scienziato inglese Michael Faraday propose invece che le interazioni si trasmettessero da un corpo a un altro attraverso la mediazione di un campo. Il fisico scozzese James Clerk Maxwell tradusse le idee di Faraday in forma matematica, dando origine alla prima teoria dei campi, comprendente le equazioni di Maxwell per le interazioni elettromagnetiche. Nel 1916 Albert Einstein pubblicò la sua teoria delle interazioni gravitazionali, che diventò la seconda teoria di campo. Si crede ora che anche le altre due interazioni, forte e debole, possano essere descritte attraverso teorie che ammettano l'esistenza di opportuni campi.

Con lo sviluppo della meccanica quantistica, negli anni Trenta e Quaranta, si incontrarono alcune difficoltà nello sviluppo di una esauriente teoria dei campi. I problemi erano legati al fatto che la teoria prevedeva che nelle vicinanze della particella si dovesse ammettere l'esistenza di campi di intensità infinita (problema della divergenza). Per risolvere in parte queste difficoltà, negli anni 1947-1949 il fisico giapponese Sin Itiro Tomonaga, i fisici americani Julian Schwinger e Richard Feynman, e il fisico angloamericano Freeman Dyson elaborarono un metodo detto di rinormalizzazione. Il metodo di rinormalizzazione mostrò che i problemi di divergenza possono essere sistematicamente isolati e rimossi. Il programma ottenne grandi successi, ma la base della teoria dei campi rimane insoddisfacente.

I quattro tipi di interazione (interazione forte, debole, elettromagnetica e gravitazionale) sono profondamente diversi l'uno dall'altro. Il primo tentativo di raggrupparli in un'unica teoria è dovuto ad Albert Einstein, e risale a prima del 1920. Nel 1979 i fisici americani Sheldon Glashow e Steven Weinberg e il fisico pakistano Abdus Salam vinsero il premio Nobel per la fisica per il loro modello di unificazione delle teorie dell'interazione elettromagnetica e dell'interazione debole. Questo importante risultato scaturisce dalla teorie di gauge dovuta agli scienziati Hermann Weyl, Chen Ning Yang e Robert Laurence Mills, e dalle teorie di rottura spontanea della simmetria, dovute prevalentemente a Yoichiro Nambu e a Peter Higgs (vedi Campo di Higgs). Questi sviluppi, accanto alla teoria di rinormalizzazione, sfociarono nella formulazione del Modello standard, secondo cui gli adroni sono costituiti da gruppi di due o tre quark e interagiscono per via forte, mediante lo scambio di particelle messaggere chiamate gluoni; i leptoni costituiscono una famiglia distinta di particelle, che include gli elettroni e i neutrini, e interagiscono per mezzo dell'interazione debole, attraverso lo scambio delle particelle W e Z.