Che cosa sono i quark?
Come sono state teorizzate queste particelle? Che massa
hanno? Come si comportano? Scopri il mondo dei quark!
di Antonella Ravizza - 17/02/2015
Che cosa sono i quark?
Nel 1964 il futuro nobel per la Fisica Murray Gell-Mann
del “California Institute of Technology”
e George Zweig, allora al CERN di Ginevra, cercarono di spiegare
l’esistenza di un piccolo numero di costituenti fondamentali, che Gell-Mann
stesso chiamò “quark” (il nome è tratto da un passo del Finnegans Wake di James
Joyce, e sarebbe la contrazione di question mark, ovvero punto interrogativo) e
che erano i “mattoni” dei protoni e dei neutroni.
Le 4 forze fondamentali dell'Universo
Per capire bene cosa sono, dobbiamo prima soffermarci sul
significato dei quattro tipi di forze fondamentali che agiscono nell’Universo:
1. la forza nucleare forte è la forza che permette ai
protoni di rimanere uniti tra loro, la sua azione incollante è la più forte
delle quattro;
2. la forza nucleare debole è responsabile del decadimento
radioattivo di alcune particelle nucleari (non tutti gli atomi sono stabili al
loro interno, alcuni perdono qualche particella, sprigionano energia e danno
origine a nuove particelle);
3. la forza elettromagnetica tiene uniti gli elettroni al
nucleo ed è più debole della prima forza;
4. la forza di gravità, è la più debole di tutte, in
quanto per essere determinante necessita della presenza di grandi masse di
materia.
Le particelle subnucleari soggette alla forza forte
vengono classificate come adroni e fra di essi troviamo alcune particelle molto
note, quali i protoni, i neutroni e i mesoni (una particella supposta avere una
massa intermedia tra quelle dell'elettrone e del protone) e altre particelle
meno conosciute, più instabili e ottenute come prodotto di collisioni ad alta
energia.
Ma cosa sono gli adroni? Gli adroni non fanno parte delle
particelle elementari, perché sono formati da una diversa combinazione di un numero
piccolo di costituenti fondamentali: i quark, appunto.
Verso la fine degli anni Sessanta vennero sparati
elettroni ad alta energia contro protoni e neutroni e si ebbe la conferma
dell’esistenza dei quark. Infatti la distribuzione angolare degli elettroni
diffusi mostrava che alcuni di essi urtavano contro qualcosa di puntiforme ed
elettricamente carico, contenuto all’interno dei protoni e dei neutroni.
I tipi di quark
Oggi si sa molto di più. In effetti sono stati
classificati sei tipi diversi di quark: su (u), giù (d), incanto (c), strano
(s), basso (b) e alto (t), che si distinguono per massa e carica elettrica.
Vediamo le loro caratteristiche:
1. quark Up (quark su), detto anche quark-u. Ha massa di
9∗10^(−30) kg;
2. quark Down (quark giù), detto anche quark-d. Ha massa
di 1,8∗10^(−29) kg;
3. quark Strange (quark strano), detto anche quark-s. Ha
massa di 3,5 * 10^(−28) kg;
4. quark Charm (quark incanto), detto ache quark-c. Ha
massa di 2,3 * 10^(−27) kg;
5. quark Bottom (quark sotto), detto anche quark-b. Ha
massa di 7,7 * 10^(−27) kg;
6. quark Top (quark sopra), detto anche quark-t. Ha massa
di 3,1 * 10^(−25) kg.
I quark hanno spin ½ e una carica elettrica che è una
frazione della carica dell’elettrone: essa vale -1/3 per i quark s, d, b e +
2/3 per i quark u, c, t . Lo spin è una forma di momento angolare e richiama la
rotazione della particella attorno al proprio asse.
I quark formano combinazioni in cui la somma delle
cariche è un intero: protoni e i neutroni sono formati rispettivamente da due
quark u e da un quark d, con carica totale +1 e da un quark u e due quark d con
carica totale 0. Inoltre vengono tenuti insieme tra loro dalla forza forte, la
stessa che lega tra loro protoni e neutroni e decadono, a causa della forza
debole. Essi a volte si trasformano da up a down e viceversa, trasformando così
i protoni in neutroni e viceversa.
Il loro decadimento produce altre particelle, tra le
quali i bosoni (ciò è definito decadimento beta, comportamento radioattività
scoperto da Fermi nel 1933).
Bosoni e fermioni
Nella fisica è importante la distinzione tra bosoni e
fermioni: i bosoni sono le particelle costituenti le forze elementari mentre i
fermioni costituiscono la materia. I fermioni obbediscono al Principio
d'esclusione di Pauli, mentre i bosoni, tendono ad affollare gli stati
quantici. Inoltre bosoni e fermioni si differenziano per il numero di spin:
infatti i bosoni hanno sempre spin intero, mentre i fermioni frazionari,
precisamente la metà di un numero dispari.
L'esistenza dei quark che non appartengono alla famiglia
primaria degli up e dei down è stata dedotta da altri processi di decadimento.
Sembra che i quark si possano osservare sempre accoppiati, ecco perché ad un
quark up corrisponde sempre un quark down, ad un strange un charm, e ad un
bottom un top.
Altre proprietà dei quark
In base alla teoria della cromodinamica quantistica
(QCD), i quark possiedono un'altra proprietà chiamata "carica di
colore" (che non ha niente a che vedere con i colori reali) e che è di tre
tipi: "rosso", "verde" e "blu". Nella teoria,
solo particelle con "colore neutro" possono esistere. Particelle
composte da un quark rosso, uno verde e uno blu vengono dette barioni (un tipo
di particella della famiglia degli adroni con massa da 1.800 a 3.400 volte
quella dell' elettrone, come i protoni o i neutroni) che nell' ipotesi di
Gell-Mann sono formate da tre quark.
Interessante è capire cosa riesce a scoprire la scienza!
Un recente esperimento chiamato CMS al Cern di Ginevra ha fatto collidere
protoni con nuclei di piombo; si sono formate coppie di frammenti le cui
traiettorie restano per breve tempo correlate, come se fossero immerse in un
fluido che le tiene unite. Il fenomeno è simile a quello già osservato in
precedenza con collisioni di nuclei di piombo contro altri nuclei di piombo.
Qual è la spiegazione? Dalla collisione si forma per breve tempo una minuscola
gocciolina di plasma quark gluonico, che si raffredda rapidamente per poi
dissolversi.
Ma siamo sicuri che i quark non siano composti da
ulteriori mattoncini?
Lo scopriremo solo vivendo... e studiando!
Sylvie Braibant, Giorgio Giacomelli, Spurio Maur
Particelle e Interazioni Fondamentali - Libro >> http://goo.gl/Zn7Gt6
Editore: Springer Verlag
Data pubblicazione: Gennaio 2012
Formato: Libro - Pag 503 -
