La
fisica delle particelle
e la branca della
fisica moderna
che studia i
costituenti
e le
interazioni fondamentali
della
materia
e della
radiazione
dal punto di vista
teorico
e
sperimentale
. Talvolta viene anche usata l'espressione
fisica delle alte energie
, facendo riferimento agli studi delle
particelle
create negli
acceleratori
ad altissima
energia
e non presenti in
natura
in condizioni ordinarie: tali esperimenti hanno permesso di verificare nuove
teorie
e dato un importante spunto per sviluppare nuovi
modelli
in
fisica teorica
.
La fisica delle particelle ha soppiantato il termine "fisica subnucleare" poiche quest'ultima si riferiva allo studio di particelle interne al nucleo, mentre oggi la maggior parte delle particelle note non sono costituenti nucleari.
[1]
L'idea che la
materia
sia composta da particelle elementari data quanto meno al
VI secolo a.C.
e nasce in ambito filosofico-materialista. La dottrina filosofica dell'"atomismo" era studiata da filosofi dell'antica Grecia quali
Leucippo
,
Democrito
ed
Epicuro
. Anche se gia
Isaac Newton
nel
XVII secolo
pensava che la materia fosse composta da particelle, fu
John Dalton
che nel
1802
sostenne formalmente che la materia era composta da piccoli atomi.
La prima
tavola periodica
di
Dmitri Mendeleev
, del
1869
contribui a cementare questa visione, prevalente per tutto il
XIX secolo
. Il lavoro di
Joseph John Thomson
stabili che gli atomi erano composti da elettroni leggeri e protoni massicci.
Ernest Rutherford
stabili che i protoni erano concentrati in un nucleo compatto. Il nucleo era inizialmente ritenuto essere composto da protoni ed elettroni confinati (al fine di poter spiegare la differenza tra la carica elettrica e il peso atomico), ma fu in seguito scoperto essere composto da un nucleo di protoni e neutroni e da elettroni che vi orbitano attorno.
Negli
anni cinquanta
e
sessanta
si svilupparono macchine in grado di produrre e rivelare un'incredibile varieta di particelle. Si faceva riferimento a queste come allo "zoo delle particelle". Questo termine venne abbandonato dopo la formulazione del modello standard, durante gli
anni settanta
, nel quale questo grande numero di particelle venne spiegato in termini della combinazione di un numero (relativamente) piccolo di particelle fondamentali.
In senso stretto, il termine
particella
inteso come oggetto puntiforme non rappresenta completamente tutte le caratteristiche che sono proprie del comportamento dei costituenti elementari della materia e della radiazione ad alte energie o piccole distanze. Le teorie studiate dalla fisica delle particelle seguono i principi della
meccanica quantistica
e della
teoria quantistica dei campi
. In base alla
dualita onda-corpuscolo
, gli elettroni manifestano comportamenti da particella in determinate condizioni sperimentali e comportamenti da
onda
in altre. Matematicamente le particelle elementari non sono descritte ne come onde ne come particelle, ma come un
vettore di stato
di uno
spazio di Hilbert
, chiamato
funzione d'onda
. Seguendo le convenzioni dei fisici delle particelle, useremo "particelle elementari", per riferirci a elettroni e fotoni, ben sapendo che queste "particelle" mostrano anche proprieta ondulatorie.
Il principio fisico per lo studio di nuove particelle e quello semplice degli urti ad elevata energia: facendo collidere tra di loro particelle ad alta
energia cinetica
, ovvero a velocita prossime alla
velocita della luce
, il prodotto (sintesi) puo essere, per l'
equivalenza tra massa ed energia
, una nuova particella a massa superiore che eventualmente decade in altre particelle figlie. Dall'analisi di tali decadimenti e possibile risalire alle caratteristiche della particella madre.
In generale sono possibili due modi per rilevare nuove particelle subatomiche che fanno comunque ricorso a
rivelatori di particelle
:
- rivelatori
passivi
a terra (es.
camera a nebbia
e
camera a bolle
) che sfruttano le
collisioni naturali
ad alta energia tra i
raggi cosmici
ad alta energia e l'
atmosfera terrestre
rilevandone i prodotti ovvero i decadimenti oppure posti in orbita su un
satellite artificiale
: questa e l'ottica in cui si muove l'
astrofisica particellare
. Queste collisioni sono pero poco frequenti rispetto a quelle producibili in laboratorio tramite acceleratori di particelle, ma hanno il vantaggio di avere a disposizione altissime energie naturalmente.
- uso di
acceleratori di particelle
cariche per produrre fasci di particelle ad alta energia, fatti poi collidere tra loro rilevandone i prodotti in appositi rivelatori (
collisioni artificiali
). In questo caso il vantaggio sta nella luminosita e nella frequenza di collisione, che e maggiore e piu controllabile.
Le particelle osservate e le loro interazioni possono essere descritte in buona approssimazione da una
teoria quantistica dei campi
chiamata
Modello Standard
che viene spesso considerata come la maggior conquista della fisica delle particelle teorica conseguita e che rappresenta anche l'attuale classificazione delle particelle conosciute
[2]
.
Il modello descrive tutti i costituenti della
materia fisica
e tutte le
interazioni fondamentali
note, ad eccezione della
gravita
, ed ha avuto straordinarie verifiche sperimentali con la previsione di particelle effettivamente scoperte fin dagli
anni sessanta
. Le previsioni del modello standard sono state accuratamente verificate da tutti gli esperimenti realizzati, in particolare con le misure di precisione effettuate al
LEP
del
CERN
.
In particolare esso descrive la
forza nucleare forte
, la
forza nucleare debole
e l'
elettromagnetismo
(tre delle quattro
forze fondamentali
) attraverso dei
bosoni
mediatori, conosciuti come
bosoni di gauge
. I bosoni di gauge sono:
fotoni
,
bosoni W
-
, bosoni W
+
, bosoni Z
e
gluoni
. Il modello contiene inoltre 24 particelle fondamentali, che sono i costituenti della materia. Infine, prevede l'esistenza di un tipo di particella scalare conosciuta come
bosone di Higgs
, per anni teorizzata dai fisici e scoperta infine nel 2012 negli esperimenti del
Large Hadron Collider
.
Il Modello Standard rappresenta un esempio di unificazione delle
interazioni fondamentali
: come le
equazioni di Maxwell
hanno permesso di unificare le interazioni
elettriche
e
magnetiche
in un'unica
interazione elettromagnetica
, nel Modello Standard le interazioni elettromagnetiche e
deboli
sono unificate in un'unica
interazione elettrodebole
.
Molti fisici delle particelle ritengono tuttavia che tale Modello rappresenti in realta una descrizione incompleta della natura fisica e che una
teoria
ancor piu fondamentale attenda ancora di essere scoperta ed elaborata. Infatti il Modello Standard non fornisce l'unificazione dell'
interazione forte
con quella
elettrodebole
(
teoria della grande unificazione
) e non e in grado di comprendere la
gravita
(
teoria del Tutto
), la cui trattazione in
relativita generale
non e compatibile con la
meccanica quantistica
. Inoltre il Modello Standard non fornisce alcuna spiegazione per l'
asimmetria barionica
, cioe non e in grado di spiegare la quasi totale assenza di
antimateria
nell'universo. Infine, la
materia oscura
non puo essere costituita da nessuna particella descritta dal modello standard.
Ulteriori sviluppi dovranno quindi comprendere una
teorica quantistica della gravitazione
per l'unificazione definitiva delle tre forze citate anche con la gravita: la
relativita generale
si basa infatti sul modello "classico" di
spaziotempo
continuo in cui il valore del
campo gravitazionale
puo assumere un valore arbitrariamente piccolo. Essa e dunque incompatibile col modello standard dove l'intensita dei campi dipende dalle particelle coinvolte e assume percio solo determinati valori.
Ciononostante per circa trent'anni il modello standard ha fornito risultati compatibili con le evidenze sperimentali; solo ultimamente alcune osservazioni astronomiche sulla materia oscura e sullo spostamento verso il rosso dei
quasar
piu lontani insieme ad alcuni risultati sperimentali sulla massa del
neutrino
e sulla misura del
momento magnetico
del
muone
hanno introdotto il dubbio che non si tratti di un modello completo.
La Fisica delle Particelle, ovvero la fisica dell'infinitamente piccolo, e strettamente correlata con la
Cosmologia
, ovvero la fisica dell'infinitamente grande, in quanto le densita di energie in gioco nella Fisica delle Alte Energie (ad. es. negli acceleratori) sono paragonabili a quelle che erano presenti nell'
Universo
primordiale, potendone cosi studiare le caratteristiche fisiche in termini di particelle e interazioni. Cosi molte tra le domande principali che si pone la fisica delle particelle hanno anche interesse per comprendere meglio l'universo, le sue
origini
e il suo destino.
Tra queste:
- Il
bosone di Higgs
, e l'unica particella fondamentale priva di
spin
prevista dal Modello Standard: a mezzo dell'omonimo campo genera la massa di tutte le altre particelle sin dai primi istanti di vita dell'Universo. E stata scoperta nel 2012 dagli esperimenti
ATLAS
e CMS, nel tunnel circolare lungo 27 chilometri del
Large Hadron Collider
- L'asimmetria tra
materia
ed
antimateria
(
violazione di CP
) studiata in diversi esperimenti di fisica delle particelle potrebbe fornire informazioni utili a comprendere perche l'
Universo
si e evoluto, a partire dal
Big Bang
, in modo tale che vi sia presente quasi esclusivamente materia e non
antimateria
.
- La
materia oscura
presente nell'universo, la cui origine e ignota, potrebbe essere spiegata con la presenza di nuovi tipi di particelle che potrebbero essere prodotte in laboratorio (per esempio all'
LHC
) o studiando la radiazione e le particelle provenienti da corpi celesti. Cosmologi e astronomi hanno accumulato un'enorme evidenza sperimentale in favore dell'esistenza della materia oscura studiandone i suoi effetti gravitazionali. Al contrario, l'
LHC
non ha osservato particelle che possano spiegarla, perlomeno alle energie attualmente raggiungibili dagli acceleratori. L'origine della materia oscura rimane pertanto un mistero irrisolto a cavallo tra fisica delle particelle e cosmologia.
- L'universo su grande scala e accelerato da una forza di cui non si conosce l'origine. Nell'ambito della cosmologia, questo fenomeno e descritto dall'
energia oscura
. Il Modello Standard non fornisce alcuna spiegazione sull'origine della materia e dell'energia oscura ma la ricerca di una teoria piu avanzata del Modello Standard e oggi ispirata dalla necessita di riconciliare la fisica delle particelle elementari con l'evoluzione dell'universo
- Non esiste al momento una descrizione della gravitazione coerente con la meccanica quantistica. Questa descrizione e essenziale per comprendere il Big Bang e i fenomeni astrofisici dove i campi gravitazionali sono molto intensi, primi tra tutti i
buchi neri
. L'osservazione delle
onde gravitazionali
nel 2019 ha creato una connessione diretta tra le ricerche di fisica delle particelle e quelle di astronomia, permettendo di osservare i corpi celesti attraverso le onde elettromagnetiche prodotte, i neutrini, le particelle cariche e le onde gravitazionali. Questo nuovo campo di ricerca e detto
astronomia multimessaggera
[3]
[4]
.
Nel campo della fisica delle particelle, i maggiori centri sperimentali di ricerca sono:
- il
CERN
, posto sul confine franco-svizzero vicino a
Ginevra
. Dove era installato il
Large Electron-Positron Collider
(LEP), ora smantellato e sostituito dal
Large Hadron Collider
(LHC).
- Il
DESY
, situato ad
Amburgo
in
Germania
, che ospita l'HERA, che collide elettroni o positroni con protoni.
- Lo
SLAC
, a Stanford in
California
(
Stati Uniti
), che ospita il PEP-II, che collide elettroni e positroni.
- Il
Fermilab
, di
Chicago
, USA, con il
Tevatron
, che collide protoni ed antiprotoni.
- Il
Brookhaven National Laboratory
, di
Long Island
, dove si trova il
Relativistic Heavy Ion Collider
, che collide ioni pesanti (come gli ioni d'oro) con dei protoni.
- I
Laboratori nazionali di Frascati
dell'
INFN
in Italia, dove ha sede
DAFNE
, l'acceleratore per la collisione di elettroni e positroni.
- I
Laboratori nazionali del Gran Sasso
, i piu grandi laboratori sotterranei al mondo, usati soprattutto per la rilevazione di particelle di origine astronomica tra cui i
neutrini
.
Oltre a questi, esistono molti altri laboratori nazionali e internazionali, che ospitano uno o piu
acceleratori di particelle
.
L'
Italia
svolge un ruolo di primo piano nella fisica delle particelle partecipando con posizioni di responsabilita importanti alla realizzazione ed alle ricerche che si effettuano nei piu importanti progetti di fisica delle particelle. Le ricerche in questo settore sono finanziate in Italia in gran parte dall'
Istituto nazionale di fisica nucleare
(INFN) che collabora con decine di dipartimenti di fisica delle diverse
universita
italiane.
Nel
1984
l'italiano
Carlo Rubbia
ha ricevuto il
premio Nobel per la fisica
per la conferma sperimentale dei
bosoni W e Z
al
CERN
di Ginevra.
L'Italia e uno stato membro fondatore del
CERN
, e per tre volte ha avuto la direzione generale del laboratorio (
Carlo Rubbia
, dal
1989
al
1993
,
Luciano Maiani
dal
1999
al
2003
,
Fabiola Gianotti
dal 2015).
La fisica delle particelle sta investigando, nel corso degli anni, fenomeni che avvengono ad energie sempre piu grandi. Per fare questo con gli acceleratori sono necessarie apparecchiature sempre piu complesse e di grandi dimensioni. Il progetto piu grande, in fase di conclusione al
CERN
, e l'acceleratore
LHC
, il cui costo raggiunge diversi miliardi di
euro
. Anche se questa spesa viene distribuita durante un arco di tempo di oltre un decennio, necessario alla sua realizzazione, la fattibilita di progetti di tali dimensioni e possibile solo grazie al contributo finanziario di decine di nazioni.
I paesi finanziatori hanno dimostrato in diversi casi di essere attenti alla spesa per i grandi progetti di ricerca. Ad esempio, nel
1993
, il congresso degli
Stati Uniti
fermo la costruzione del
Superconducting Super Collider
, dopo che erano gia stati investiti 2 miliardi di dollari. Questo acceleratore, infatti, avrebbe costituito un "doppione" rispetto ad LHC, e, sebbene avrebbe consentito di raggiungere energie maggiori di
LHC
, quest'ultimo ha potuto riutilizzare tutti i lavori di
ingegneria civile
del precedente acceleratore
LEP
, realizzato in un tunnel sotterraneo lungo
27
km
.
Le
spese pubbliche
per finanziare i grandi progetti di ricerca hanno comunque spesso ricadute tecnologiche positive di rilievo anche in settori diversi da quelli che le attivita di ricerca hanno come finalita principale.
Tra le applicazioni che sono nate dall'ambiente di ricerca della fisica delle particelle vi sono:
- il
World Wide Web
, nato al
CERN
per migliorare gli strumenti di comunicazione scientifica, il protocollo
HTTP
ed il linguaggio
HTML
;
- rivelatori di particelle utilizzati per diagnostica medica;
[5]
- l'
adroterapia
, che dovrebbe curare il
cancro
attraverso l'uso di
acceleratori
. Grazie alla possibilita di controllare con precisione l'energia e la localizzazione delle particelle accelerate, e possibile depositare dosi di radiazione in maniera controllata per distruggere le cellule cancerose senza danneggiare i tessuti circostanti;
- la
tomografia a emissione di positroni
, o PET, uno strumento di diagnostica medica che utilizza l'
antimateria
.
- ^
Francesco Terranova,
A Modern Primer in Particle and Nuclear Physics.
, Oxford Univ. Press, 2021,
ISBN
978-0192845252
.
- ^
Sylvie Braibant, Giorgio Giacomelli e Maurizio Spurio,
Particelle e interazioni fondamentali.
, Springer, 2009,
ISBN
978-8847027534
.
- ^
Maurizio Spurio,
Particles and Astrophysics: A Multi-messenger Approach
, Springer, 2017,
ISBN
978-3319345390
.
- ^
Alessandro De Angelis e Mario Pimenta,
Introduction to Particle and Astroparticle Physics: Multimessenger Astronomy and Its Particle Physics Foundations
, Springer, 2018,
ISBN
978-3319781808
.
- ^
Medipix
, su
medipix.web.cern.ch
.
URL consultato il 5 marzo 2018
(archiviato dall'
url originale
il 3 aprile 2008)
.