La strabiliante teoria del Quasi Tutto. Dagli elettroni fino ai quark. Quali sono le particelle elementari della materia? Viaggio tra la tavola di Mendeleev, lo “zoo di particelle” e il Modello standard. Nel 1969 l’accademia svedese insignì Murray Gell-Mann con il premio Nobel per la fisica “per i suoi contributi e scoperte nella classificazione delle particelle elementari e delle loro interazioni”. Proprio questo tema è stato il focus principale dell’ultimo articolo in cui abbiamo introdotto i “quark”, alcuni degli ingredienti di cui sono composte le particelle che compongono la materia (leggi qui).
Quello era solo un assaggio: oggi la ricetta completa.
Vi avevamo raccontato come tutti gli elementi conosciuti nel ‘800 potessero essere ordinati secondo le loro proprietà nella tavola periodica di Mendeleev e che quest’ordine scaturisse dal fatto che tutti gli elementi sono costituiti da sole tre particelle fondamentali: elettroni, protoni e neutroni. La soddisfazione per aver individuato i componenti essenziali della materia non durò a lungo: a partire dagli trenta vennero scoperte decine e decine di nuove particelle ritenute “fondamentali”.
Ci eravamo quindi lasciati al fatto che i pattern triangolari che emersero mettendo ordine in questo “zoo” di nuove particelle, portò alla teorizzazione di tre nuove particelle ancora più fondamentali, chiamate quark “up” (“sù”), quark “down” (“giù”) e quark “strange” (“strano”). Ai tre quark iniziali ne vennero successivamente aggiunti altri tre: il “charm” (“bello”), il “top” (“sopra”) e il “bottom” (“sotto”). Ve l’avevamo detto che ne avremmo incontrati di nomi bizzarri. Quello che non abbiamo ancora detto è quali sono le caratteristiche usate per organizzare tali particelle. Come abbiamo visto la scorsa settimana, Mendeleev nella sua tavola periodica degli elementi ordinò questi ultimi secondo il peso atomico e secondo alcune caratteristiche chimiche come il fatto di essere metalli o gas. Per un mazzo di carte, ad esempio, potremmo usare il colore, il seme e il numero. Nel caso dello “zoo di particelle”, invece, per organizzarle ci fu bisogno di usare caratteristiche come la carica elettrica e altre per le quali è necessario un intero corso di fisica quantistica avanzato per comprenderne le origini. “Stranezza” e “bellezza” sono solo due dei nomi evocativi che sono stati usati per chiamare queste caratteristiche che in termini tecnici vengono identificati come “numeri quantici”.
La cosa interessante è che per formare protoni e neutroni c’è bisogno solo di due tipi di quark, l’up e il down. Un protone è infatti composto da due quark up e uno down, ed il neutrone da un quark up e due down. Insieme all’elettrone, up e down sono quindi sufficienti a formare tutti gli atomi della tavola periodica e, più in generale, tutta la materia stabile che conosciamo. Ancora più interessante è il fatto che gli altri quattro tipi di quark sono, in termini di proprietà quantistiche, una copia dei quark up e down, solo più pesanti. Sono necessari a spiegare l’esistenza di particelle che vivono così poco da poter essere osservate solo in esperimenti ad alte energie (come al CERN) o nei raggi cosmici. Pensate che la particella “lambda” è considerata la Matusalemme di questo tipo di particelle, e sopravvive in media solo un miliardesimo di secondo. Come per i quark, esistono anche due copie più pesanti e instabili dell’elettrone, chiamati “muone” e “taone”. Se aggiungiamo i neutrini (ai quali ci dedicheremo in un articolo futuro), ecco che abbiamo nominato tutte le particelle elementari di materia ad oggi conosciute. Il fatto che anche i neutrini esistono a loro volta in tre versioni, neutrino elettronico, muonico e tauonico, fa emergere anche a livello sub-sub-atomico, il più elementare che conosciamo oggi, una struttura organizzativa: tre famiglie (dette generazioni) di quattro particelle ognuna (vedi l’infografica).
L’ordine nella tavola periodica scaturiva dalla presenza di allora sconosciute particelle subatomiche, così come l’ordine tra le particelle dello “zoo” portò alla scoperta delle particelle ancora più fondamentali che abbiamo descritto in questo articolo. La domanda può quindi sorgere spontanea: si cela qualcosa anche dietro la struttura organizzativa di queste particelle elementari, dietro l’esistenza di due versioni più pesanti ed instabili, ma altrimenti identiche, delle particelle della prima colonna? Siamo veramente arrivati agli “atomi” democritei nel senso stretto del termine, ovvero agli elementi indivisibili, o il nostro viaggio può continuare?
Anche se al momento non abbiamo alcuna evidenza sperimentale del fatto che queste particelle che abbiamo descritto possano essere a loro volta composte da elementi più elementari, come potete immaginare non siamo i primi a porci queste domande. Diversi gruppi di ricerca lavorano già da decenni per trovare la risposta. Avrete sicuramente sentito parlare, per esempio, della Teoria delle Stringhe. Fra le tante cose che cerca di fare come “teoria del tutto” c’è quella di descrivere tutte le particelle presentate in questo articolo come oscillazioni di elementi più fondamentali, le stringhe appunto. Metti ora caso che la teoria delle stringhe sia corretta e possa essere testata (siamo molto lontani per ora), troveremmo un ordine, un’organizzazione tra le stringhe a suggerire un ulteriore step di divisione? Insomma, l’enigma di Aristotele e Democrito è lungi dall’essere risolto (se mai potrà essere risolto), ma continua da più di 2000 anni a spingerci verso nuove scoperte, verso nuovi livelli di comprensione di ciò che ci circonda.
Un’ultima precisazione: se tornate un attimo all’immagine qui sopra noterete che alle tre famiglie descritte in questo articolo, ci sono altre cinque particelle fondamentali. Non temete, le affronteremo più in dettaglio in articoli dedicati. Basti sapere che trasportano le interazioni che tengono insieme le particelle e danno loro massa. Infine, per ogni particella va considerata la sua antiparticella (ne abbiamo parlato qui), così da completare la moderna “tavola periodica” delle particelle elementari. Queste ultime, insieme alle loro interazioni, sono racchiuse in una teoria dal nome noioso, il “Modello Standard”, ma che per completezza e quantità di conferme sperimentali andrebbe forse chiamata, come suggerito da Glenn Starkman, professore universitario in Ohio, “la Strabiliante Teoria del Quasi Tutto”. Quasi, appunto, perché c’è una grande esclusa tra le interazioni che questo modello è capace di descrivere, la forza con la quale siamo più familiari: la forza di gravità. Beh, se trovate un modo per farcela stare il prossimo Nobel è vostro.
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