SCIENZA A SCUOLA

Esperienze scolastiche


Il Mondo Subatomico

Alla metà degli anni '30, sembrava che la conoscenza della struttura fondamentale della materia fosse pressoché completa. Rutherford aveva dimostrato che gli atomi avevano dei nuclei, piccoli, ma dotati di massa. La aveva reso ragione degli spettri atomici e degli orbitali elettronici. La scoperta del neutrone aveva spiegato gli isotopi nucleari. In questo modo, protoni, neutroni, ed elettroni costituivano gli elementi fondamentali di tutta la materia. Ma restavano alcuni problemi aperti:
Cosa tiene insieme i protoni e neutroni a formare il nucleo?
Quali sono le forze coinvolte nei decadimenti nucleari radioattivi che danno vita a raggi alfa, beta e gamma?

L'esplosione delle particelle

Con grande sorpresa dei fisici, gli esperimenti con gli acceleratori costruiti a partire dagli anni '40, rivelarono che il mondo delle particelle era molto ricco; furono scoperti molti tipi di particelle simili a protoni e neutroni (i barioni), e un'intera famiglia nuova, i mesoni. Entro la metà degli anni '60 erano stati identificati circa cento tipi di particelle, e i fisici non conoscevano ancora sistematicamente le forze fondamentali.

L'Ipotesi dei Quark

Tutte queste particelle erano elementari ?
Nel 1964, due fisici, Gell-Mann e Zweig, indipendentemente giunsero all'idea che i neutroni, i protoni e tutte le nuove particelle potessero essere riportate a pochi tipi di oggetti ancora più piccoli; Gell-Mann chiamò questi oggetti quark. Gell-Mann e Zweig riuscivano a ricondurre tutti i barioni e i mesoni osservati a tre soli tipi di quark (oggi chiamati up, down, e strange) e ai loro corrispondenti antiquark. 
La caratteristica rivoluzionaria della loro idea era che bisognava assegnare ai quark cariche elettriche di +2/3 e -1/3 (rispetto alla carica del protone): cariche del genere non erano mai state osservate!

Gli antiquark sono i corrispondenti di antimateria dei quark; rispetto ai quark corrispondenti, hanno stessa massa ma carica opposta. Quando un quark incontra il suo antiquark, possono annichilarsi, scomparendo per dar vita a qualche altra forma di energia.

Il Modello Standard

Circa trenta anni e molti esperimenti dopo, l'idea dei quark è stata confermata. Ora fa parte del Modello Standard delle particelle e delle forze fondamentali. 
Nuove scoperte hanno dimostrato che esistono sei tipi di quark (chiamati up, down, strange, charm, bottom e top, in ordine di massa crescente). Inoltre, ci sono sei tipi di particelle, tra cui l'elettrone, chiamati leptoni. 
Il Modello Standard spiega le interazioni forte, debole ed elettromagnetica tra i quark e i leptoni, e in questa maniera rende ragione delle strutture dei legami e dei decadimenti nucleari.

Insomma, ci sono due generi di particelle: particelle che sono materia (come gli elettroni, i protoni, i neutroni, e i quark) e particelle che mediano le interazioni (come i fotoni). Inoltre per ogni particella esiste una antiparticella.

Il punto di forza del Modello Standard, quello che lo rende capace di spiegare così tante cose, è il riportare tutte le particelle osservate a:
  • 6 tipi di leptoni (possono esistere da soli): fermioni
  • 6 tipi di quark (si trovano solo uniti tra loro): fermioni
  • particelle mediatrici di forza: bosoni

Ecco un quadro riassuntivo nelle tabelle seguenti:

PARTICELLE ELEMENTARI
Fermioni Bosoni
Costituenti della Materia Portatori delle forze agenti fra le particelle

I fermioni si dividono a loro volta in due sottoclassi: quark e leptoni. 

FERMIONI
QUARK LEPTONI
Carica elettrica Forza Nucleare Forte Non Subiscono Interazione Forte Carica Elettrica
+2/3
u
c
t
ne
nμ
nτ
0
up
charm
top
Neutrino elettronico
Neutrino muonico
neutrino taonico
-1/3
d
s
b
e-
μ-
τ-
-1
down
strange
bottom
elettrone
muone
tau

 

Particelle Composte

I quark sono i costituenti dei neutroni, dei protoni e di altre particelle ad esse correlate, tutte comprese nella famiglia degli adroni: il protone, ad esempio, è formato da due quark up e da un down; il neutrone da due quark down e da un up. 
La famiglia degli adroni è composta da mesoni (contengono un quark e un antiquark) e barioni (composti da tre quark)

I leptoni dotati di carica elettrica possono subire interazioni, come l'elettrone, che orbita attorno al nucleo atomico. Viceversa i neutrini, leptoni privi di carica, possono attraversare anche tutta la Terra senza subire alcuna interazione.  

I BOSONI

L'universo che conosciamo esiste perché le particelle fondamentali interagiscono: decadono, si annichilano, reagiscono a forze legate alla presenza di altre particelle (per esempio nelle collisioni). Ci sono quattro interazioni tra le particelle.

Si è capito che tutte le interazioni (o forze) che riguardano le particelle materiali sono dovute ad uno scambio di particelle, dette mediatori di forza.


Murray Gell-Mann, Nobel nel 1969 per la classificazione delle particelle elementari e delle loro interazioni
 
Weinberg, Glashow, Salam, Nobel nel 1979 come autori della teoria del Modello Standard
 
Peter Higgs, scienziato che propose l'esistenza del bosone di Higgs, poi osservato al LHC al CERN
 
Il bosone di Higgs decade producendo quattro muoni (Immagine CERN