Le Particelle Elementari #LegaNerd
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grimx
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Cos’è una particella elementare? Quante sono le particelle elementari? Cosa sono i quark? E i Bosoni? In questo articolo cercherò di rispondere a tutte queste domande, illustrando con ordine tutto quell che c’è da sapere sulla fisica delle particelle elementari.

La fisica delle particelle è la teoria fisica che descrive i costituenti fondamentali della materia e le interazioni fondamentali. Una particella elementare essenzialmente è una particella la quale non è composta da particelle più semplici.

Le particelle a noi più familiari, che ci hanno insegnato a scuola, sono i 3 costituenti dell’atomo: l’elettrone, il protone ed il neutrone.

In realtà esistono ben 17 particelle elementari. Non 3. Andiamo a scoprirle una ad una.

 

 

 

I Quark

I protoni ed i neutroni sono formati da particelle elementari chiamate Quark.

Come sappiamo l’atomo è costituito da elettroni che orbitano attorno un nucleo, formato da protoni e neutroni.

L’elettrone è una particella elementare. I protoni e i neutroni però, che sono molto più grandi dell’elettrone, sono composte da particelle elementari chiamate Quark.

Esistono 6 diversi tipi di quark, ognuno con le proprie caratteristiche:

  1. Tipo “Up” (carica +2/3)
  2. Tipo “Down” (carica -1/3)
  3. Tipo “Charm” (carica +2/3)
  4. Tipo “Strange” (carica -1/3)
  5. Tipo “Top” (carica +2/3)
  6. Tipo “Bottom” (carica -1/3)

I quark si possono combinare formando una grande famiglia di particelle subatomiche (non elementari) chiamati adroni.

 

Gli Adroni

Come ho già detto un adrone è una particella non elementare formata da quark. Questo grande gruppo di particelle a sua volta si divide in due sottogruppi: i mesoni e i barioni.

I Barioni : sono particelle composte da 3 quark. Il termine barione deriva dal greco “barys” che significa pesante, questo nome fu dato perché effettivamente queste particelle avevano una massa maggiore rispetto alle altre allora conosciute. I Barioni più noti sono i protoni ed i neutroni.

Il protone è formato da 2 quark up  e 1 quark down. Il neutrone invece da 2 quark down e 1 quark up.

Questo perché, come sappiamo, il protone ha carica positiva che vale +1, sommando le cariche dei tre quark si ottiene il risultato desiderato: 2/3 + 2/3 – 1/3 = 1

La stessa cosa vale per il neutrone: -1/3 – 1/3 + 2/3 = 0.

I Mesoni : Sono particelle composte da un quark unito ad un antiquark. Un antiquark è l’antiparticella di un quark. L’antiparticella è una particella elementare la quale ha stessa massa della particella corrispondente ma numeri quantici (come la carica elettrica) opposti.

Nella fisica delle particelle ad ogni particella viene corrisposta un altra antiparticella. Per esempio l’antiparticella dell’elettrone è il positrone, la massa è la stessa ma il positrone è carico positivamente.

I mesoni non sono pesanti tanto quanto i barioni, infatti questo gruppo venne creato per indicare particelle con massa intermedia tra protone ed elettrone.

 

 

I Leptoni

Nella famiglia dei Leptoni fanno parte altre 6 particelle elementari. Una tra queste è l’elettrone.

Esistono inoltre altre due “varianti” più massive dell’elettrone: il muone ed il tauone.

Le altre tre particelle sono i neutrini. I neutrini a loro volta si dividono in tre tipi, ciascuno associato agli altri leptoni secondo lo schema:

  • elettrone ( e ) e neutrino elettronico
  • muone ( μ  ) e neutrino muonico 
  • tauone ( τ ) e neutrino tauonico
Un neutrino è una particella elementare di massa quasi nulla, e carica elettrica nulla.

Una domanda però sorge spontanea… Cosa cazzo è un neutrino? Un neutrino è una particella elementare di massa quasi nulla, e carica elettrica nulla.

In natura i neutrini sono prodotti da alcuni tipi di reazioni nucleari, come quelle che avvengono nel Sole. I neutrini interagiscono solo con la forza nucleare debole e la forza gravitazionale, non risentendo né dell’interazione nucleare forte né della interazione elettromagnetica.

Poiché il neutrino interagisce debolmente, quando si muove attraverso la materia le sue possibilità di interazione sono molto piccole. Occorrerebbe un ipotetico muro in piombo spesso un anno luce per bloccare la metà dei neutrini che lo attraversano! Passiamo adesso all’ultimo gruppo di particelle… i Bosoni!

 

 

I Bosoni

I Bosoni sono particelle elementari che trasportano le 4 forze della natura:

  1. Forza Elettromagnetica
  2. Forza nucleare Forte
  3. Forza nucleare Debole
  4. Forza Gravitazionale

Il bosone che trasporta la forza elettromagnetica è il fotone, quello che trasporta la forza nucleare forte è il gluone, mentre i due bosoni che trasportano la forza nucleare debole sono i bosoni W e Z.

Secondo la fisica delle particelle le interazioni avvengono tramite lo scambio di queste particelle che trasportano delle particolari informazioni.

Per esempio, i quark all’interno di un protone sarebbero tenuti assieme dai gluoni che interagiscono come un “collante” tra le particelle.

L’ipotetica particella che trasporterebbe la forza gravitazionale sarebbe il gravitone.

L’ipotetica particella che trasporterebbe la forza gravitazionale sarebbe il gravitone, descritta nella teoria delle stringhe.

Il movimento di un corpo produrrebbe un segnale di informazione che impiega un tempo rapidissimo, ma comunque non nullo per arrivare all’altra massa interagente (secondo la relatività generale sarà uguale alla velocità della luce), e adeguare la forza di gravità alla nuova distanza fra i due corpi.

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L’individuare questa particella segnerebbe una grande passo nella fisica moderna.

 

 

Le anti-particelle

Prima ho accennato alle antiparticelle. Come ho detto prima ogni particella ha una sua antiparticella che ha stessa massa ma caratteristiche quantistiche come la carica elettrica opposta.

La prima volta che si sentì parlare di antiparticelle fu nel 1928 circa. Il fisico Paul Dirac realizzò uno studio della meccanica quantistica unendola con la relatività ristretta di Einstein.

Modificando l’equazione di Schroedinger venne fuori che alcune soluzioni di essa prevedevano elettroni ad energia negativa. Inizialmente si pensò ad un errore nella teoria, nel 1931 però Dirac interpretò questo risultato come elettroni aventi carica opposta.

L’anno dopo vennero individuati i risultati scoperti da Dirac.

Un “effetto” interessante risulta quando una particella ed un’antiparticella si incontrano. Quello che succede viene chiamato “annichilazione”, ovvero le due particelle si uniscono, distruggendosi formano energia. Per esempio, se un positrone ed un elettrone si annichilano producono 2 fotoni.

Altro effetto quantistico molto interessante è la fluttuazione quantistica. In particolare le leggi della meccanica quantistica permettono la creazione dal nulla nello spazio vuoto di coppie di particelle e antiparticelle. Ovviamente la vita di queste particelle è veramente breve, e si annichilano pochissimo tempo dopo.

 

 

Acceleratori di particelle

Un ruolo decisivo nella fisica delle particelle lo coprono gli acceleratori di particelle. Grazie a queste macchine si possono scoprire ogni giorno nuove particelle che non si conoscevano.

Come funziona un acceleratore? Essenzialmente  un acceleratore è una macchina la quale produce diversi fasci di particelle con moltissima energia. Questi fasci di particelle vengono accelerati tramite campi elettromagnetici, in pratica è come se ad ogni giro venisse tirato “un calcio in culo” alle particelle, così da farle andare più veloci e di conseguenza aumentare l’energia cinetica.

Più energia entra in gioco nella collisione di questi fasci maggiore è la probabilità di scoprire nuove particelle sempre più piccole.

L’acceleratore più grande del mondo si trova al CERN a Ginevra ed è l’LHC, lungo ben 27km. Esso riesce ad accelerare particelle fino a farle raggiungere 99.9999991% della velocità della luce!

Attualmente LHC non è in funzione. I tecnici stanno aumentando la sua Energia fino a 14 Tev (Tera-elettronvolt). Riprenderà a funzionare ad Aprile 2015. Si spera potrà dare grandi risultati nella fisica moderna.

 

 

 

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mercoledì 3 settembre 2014 - 12:39
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