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ARGOMENTO: FISICA
PERIODO: XX-XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: Particelle, meccanica quantistica
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Proviamo oggi a raccontare il fantastico mondo delle particelle elementari, senza però addentrarci troppo nella sua complessità. Per molti di noi le informazioni sugli atomi si perdono nelle reminiscenze di chimica generale alle superiori o, in qualche caso, nei corsi universitari. In molti casi gli insegnamenti sugli atomi si riducevano a “protoni, elettroni e neutroni“; a loro volta gli atomi si combinavano in molecole il cui insieme dava la materia. Nel tempo incominciarono a comparire parole come quark, bosoni e neutrini, citate dai media, che attiravano la curiosità anche del più distratto lettore. In particolare i quark, resi famosi dalla nota trasmissione di Piero Angela che, essendo i componenti essenziali dei protoni e dei neutroni, costituivano i mattoni fondamentali della materia a un livello ancora più profondo degli atomi. Vediamo di capire meglio di cosa stiamo parlando.
rappresentazione di uno ione di litio, in giallo gli elettroni, in rosso il nucleo
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ion_de_litio.gif
Dall’indivisibile al mondo di quark e co.
Ricorderete che per secoli si pensò che l’atomo fosse indivisibile, non a caso la sua parola atomo (ἄτομος átomos) significa indivisibile; secondo la teoria dei filosofi greci Leucippo, Democrito ed Epicuro, che resistette come base scientifica fino alla fine dell’Ottocento, si trattava dell’elemento più piccolo con cui la materia era organizzata. Furono i progressi della scienza dalla fine del XIX secolo che fecero si che questa riduttiva visione assumesse nel tempo molti più mattoncini, quelle particelle elementari con cui si ritiene l’universo abbia costruito sé stesso.
Sir Joseph John Thomson (Manchester, 18 dicembre 1856 – Cambridge, 30 agosto 1940) è stato un fisico britannico che, nel 1891, scoprì l’elettrone, la prima particella subatomica di carica elettrica negativa, mediante un esperimento con i cosiddetti tubi di Crookes – wikipedia
Nel 1897, un giovane fisico inglese, Joseph John Thomson, stava portando avanti un programma di ricerca utilizzando i cosiddetti tubi di Crookes, per individuare, mediante lo studio dei gas rarefatti in presenza di una scarica elettrica, le correlazioni fondamentali tra le leggi dell’elettromagnetismo e la struttura della materia. Appena venuto a conoscenza della scoperta di Roentgen sulla radioattività, il suo interesse si volse immediatamente all’applicazione di questi raggi così penetranti al proprio campo specifico di ricerca. Thomson notò che, in condizioni di vuoto molto spinto, i raggi venivano deflessi proporzionalmente alla differenza di potenziale tra le placche del tubo di misura e dedusse che se il raggio veniva deviato significava che era composto da minuscole particelle con cariche negative, ovvero quelle particelle che chiamiamo elettroni. Di fatto era la prima volta che si intuiva che la materia avesse parti costitutive subatomiche.
Dopo gli anni trenta gli scienziati compresero che al centro dell’atomo c’era un nucleo compatto (Rutheford) scoprendo l’esistenza del neutrone (Chadwick). In parole semplici, l’atomo era composto da protoni (carichi positivamente) e da neutroni (privi di carica) che formavano il “nucleo” (carico positivamente), e dagli elettroni 0 (carichi negativamente) presenti in un atomo neutro nello stesso numero dei protoni. Questi ultimi oltre a determinare le caratteristiche di un atomo neutro (ogni elemento chimico ha un numero diverso di elettroni), sono presenti in orbitali (detti “livelli energetici”) rimandovi normalmente confinati. Gli orbitali ci indicano le probabilità di trovare un elettrone in una certa posizione. In realtà secondo il principio di indeterminazione di Heisenberg non è possibile conoscere con precisione assoluta e contemporaneamente la posizione e la velocità di un elettrone e questo è un concetto fondamentale della fisica quantistica, una branca della Fisica che si applica principalmente a fenomeni atomici e subatomici, dove la fisica classica non è più sufficiente per spiegare ciò che accade. Ci torneremo.
Sembrava tutto semplice ma c’era un problema: con la scoperta della radioattività si era compreso che le sostanze subiscono un decadimento radioattivo, un insieme di processi fisico-nucleari attraverso cui alcuni nuclei atomici instabili (radionuclidi) decadono trasmutandosi in altri aventi energia inferiore ed emettono radiazioni ionizzanti.
Ma, a seguito del decadimento radioattivo, dove finiva parte dell’energia? Di fatto si violava il principio della conservazione dell’energia secondo cui, in un sistema isolato (cioè dove non esistono forze esterne), l’energia totale si mantiene sempre quantitativamente uguale anche se avvengono trasformazioni al suo interno. Nel 1930 Wolfgang Pauli, propose una soluzione ardita: forse esisteva una particella invisibile, senza carica e quasi senza massa, che portava via l’energia mancante. Quella particella era il neutrino. Un’intuizione geniale che, vedremo, richiese venticinque anni prima che fosse provata sperimentalmente. Ma non era finita: l’”indivisibile” era composto anche da altre particelle.
Schema d’insieme delle particelle e delle forze fisiche, versione 2014 – Fonte Particle overview.svg Author Headbomb (original work); Mess (Italiano) https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Particle_overview_it.svg
Fermioni vs Bosoni
Per comprendere questo non facile concetto, proviamo ad immaginarci un insieme di due famiglie che convivono nella stessa casa ma si differenziano fra loro per compiti e regole.
La prima è quella dei FERMIONI, come i quark che si combinano per costruire protoni e neutroni; essi furono scoperti negli anni Sessanta dai fisici Murray Gell-Mann e George Zweig che proposero che i protoni e i neutroni non fossero indivisibili, ma composti da componenti più piccoli che chiamarono “quark”, ispirandosi a una frase da Finnegans Wake di James Joyce. La cosa curiosa era che queste particelle lavorano sempre in squadra, combinandosi per formare i mattoni più “grandi” della materia, i protoni e neutroni. Senza scendere nei particolari esistono sei tipi di quark, che i fisici chiamano con nomi curiosi: up, down, strange, charm, bottom e top. I primi due, up e down, sono i più comuni e sono sufficienti a costruire la materia ordinaria, mentre gli altri compaiono raramente, ad esempio dentro gli acceleratori di particelle o nei fenomeni cosmici più violenti. I Quark sono tenuti insieme dalla forza nucleare forte, trasmessa da particelle chiamate gluoni (dall’inglese glue, colla, che fa comprendere l’effetto coesivo).
Modello standard delle particelle elementari: i 12 fermioni ed i 4 bosoni fondamentali, – Fonte Standard_Model_of_Elementary_Particles.svg – Autore Miss MJ
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Modello_Standard_delle_Particelle_Elementari.svg
Assieme ai quark troviamo i leptoni, particelle solitarie come l’elettrone, ma anche i suoi “cugini più pesanti”: il muone e il tau (che hanno però una vita brevissima, prima di trasformarsi in altre particelle più stabili). Non ultimi i già citati neutrini, associati a ciascun leptone carico (elettrone, muone e tau), che attraversano la materia “quasi” senza interagire. Basti pensare al flusso di neutrini del vento solare che ci attraversano continuamente senza che ce ne accorgiamo.
La seconda famiglia è quella dei BOSONI (W e Z) che hanno la funzione di trasmettere i messaggi all’interno e furono del condominio, scoperti nel 1983 al CERN, in un esperimento che valse il Nobel a Carlo Rubbia, essendo una delle prime grandi conferme del Modello Standard. Tra di essi, una sorta di amministratore occulto: il bosone di Higgs, teorizzato negli anni Sessanta da un gruppo di fisici (tra cui Peter Higgs da cui prese il nome) per spiegare come le particelle acquisiscono massa, fu scoperto nel 2012 dal CERN 1. La cosa straordinaria è che in realtà tutte le particelle e i loro componenti basilari sono delle increspature nei rispettivi campi per cui i sei quark, i sei leptoni, i mediatori delle forze/interazioni ed il bosone di Higgs, insieme si combinano per materializzare tutta la complessità dagli atomi alle molecole, dalle stelle alle galassie.
Qualcuno si chiederà a cosa serve lo studio di queste particelle e delle loro relazioni
Il problema è che le forze fondamentali che noi conosciamo (gravità, elettromagnetismo, forza nucleare forte e forza nucleare debole) non sono state unificate. Nel XX secolo il lavoro di unificazione si incentrò sulla comprensione delle tre forze: elettromagnetismo e le forze nucleari debole e forte. Le prime due furono unificate nel 1967–68 da Glashow, Weinberg, e Salam come “forza elettrodebole“. In particolare le forze nucleare forte ed elettrodebole coesistono pacificamente nel modello standard della fisica particellare anche se rimangono distinte.
| FORZE |
| GRAVITA’ | conosciuta da Newton e dominata da Einstein con la relatività generale |
| ELETTROMAGNETISMO | unificato nell’Ottocento da Maxwell |
| FORZA NUCLEARE FORTE | così definita perché è quella ad intensità maggiore tra le quattro forze fondamentali della natura. Il suo valore è circa 100 volte quello della forza elettromagnetica, circa 10 5 maggiore della forza debole e 10 39 volte quello della gravità. |
| FORZA NUCLEARE DEBOLE | alla base del decadimento radioattivo degli atomi |
La ricerca di una Teoria del Tutto, che unisca tutte le quattro forze, è ancora in corso Per quanto concerne la forza debole, che può trasformare le particelle elementari da un tipo a un altro, la Teoria del Tutto potrebbe darci una profonda comprensione dei vari tipi di particelle e delle diverse forze dell’Universo.
da https://it.wikipedia.org/wiki/Teoria_del_tutto
Ma c‘è dell’altro. studiando il moto delle galassie, si ritiene che la massa che stimiamo non sia sufficiente a tenerle insieme. Si ipotizza quindi la presenza di una misteriosa materia oscura (26,8% dell’universo mentre la materia ordinaria — quella fatta di quark ed elettroni — è valutata solo il 4,9%), che non emette luce, non riflette, non interagisce con i fotoni, ed è praticamente invisibile però … è rilevabile in modo indiretto attraverso i suoi effetti gravitazionali. Ma non è sola: si ipotizza anche un’energia oscura (68,3%), una forza misteriosa che sembra spingere l’universo ad espandersi sempre più velocemente.
Lo studio delle particelle è quindi come cercare nuove chiavi per aprire porte che ci impediscono di comprendere i misteri dell’Universo … ma non solo: se non avessimo scoperto gli elettroni, non avremmo mai conosciuto e sviluppato l’elettricità ma anche i computer e le comunicazioni che ci consentono di viaggiare dalla nostra postazione nel mondo dell’informazione. Lo sviluppo della meccanica quantistica ha permesso applicazioni come il laser, apparecchiature medicali come la risonanza magnetica, e senza i grandi acceleratori non sarebbero state sviluppate tecniche avanzate di radioterapia che salvano tante vite umane ogni giorno. Non ultimo conoscere le particelle elementari significa comprendere il perché della nostra esistenza che si oppone al nulla cosmico. Una lotta tra la visione deterministica classica e quella quantistica che apre nuove prospettive che vanno oltre la nostra logica terrena, in un dominio in cui materia e spirito si potrebbero fondere.
Note
0. Il problema di come definire un elettrone, o un’altra particella, è legato alla dualità, onda e particella. Potremmo vederlo come un’eccitazione locale e quantizzata di un campo elettronico dove tutti gli elettroni sono identici: hanno la stessa massa, carica e spin essendo delle eccitazioni dello stesso.
1. Tutte queste particelle sono studiate attraverso gli acceleratori di particelle che accelerano le particelle, facendole collidere a velocità prossime a quella della luce, svelando così nuovi componenti. Tra di essi, il più imponente è il Large Hadron Collider (LHC) del CERN, il più grande laboratorio al mondo di fisica delle particelle, che si trova al confine tra la Francia e la Svizzera, un anello della grandezza di 27 chilometri nei pressi di Ginevra.
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