In
fisica delle particelle
una
particella elementare
e una
particella subatomica
indivisibile non composta da particelle piu semplici.
[1]
Le particelle elementari che compongono l'
universo
si possono distinguere in particelle-
materia
, di tipo
fermionico
(
quark
,
elettroni
e
neutrini
, dotati tutti di
massa
) e particelle-forza, di tipo
bosonico
, portatrici delle
forze fondamentali
esistenti in natura (
fotoni
e
gluoni
, privi di massa, e i
bosoni W e Z
, dotati di massa). Il
Modello standard
contempla diverse altre particelle instabili che esistono in determinate condizioni per un tempo variabile, ma comunque brevissimo, prima di
decadere
in altre
particelle
. Fra queste vi e almeno un
bosone di Higgs
, che svolge un ruolo del tutto particolare.
Fino agli inizi del
XX secolo
si pensava che l'
atomo
fosse il costituente elementare della materia e quindi indivisibile per definizione. La scoperta da parte della
fisica atomica
che l'atomo ha una sua struttura interna, e cioe composto di
particelle subatomiche
piu semplici, diede vita alla
teoria atomica
, e quindi alla
fisica nucleare
e alla
fisica delle particelle
.
Dopo le scoperte di
elettrone
,
protone
e
neutrone
, dagli
anni trenta
il numero ed il tipo di particelle elementari crebbe in modo continuo portando dagli
anni sessanta
all'introduzione del cosiddetto Modello standard, che descrive tutte le particelle note e tre delle quattro
interazioni fondamentali
, ossia l'
interazione elettromagnetica
, l'
interazione forte
e l'
interazione debole
.
Nel
1897
Lord Kelvin
scriveva che "l'
elettricita
e un
liquido
continuo omogeneo". Queste considerazioni divennero superflue quando, nello stesso anno,
Joseph John Thomson
esegui il suo celebre esperimento con cui determino il rapporto
e/m
tra la
carica elettrica
e la
massa
dei
raggi catodici
.
I raggi catodici, cosi definiti in quanto emessi da un
catodo
, quando attraversano un
condensatore
subiscono una certa deviazione, il cui verso mostra che la carica portata dal fascio e negativa. Lo stesso avviene se i raggi sono sottoposti ad un
campo magnetico
. Compensando le deflessioni prodotte dai campi elettrico e magnetico, Thomson calcolo la velocita del fascio. L'ampiezza della flessione prodotta da ciascun campo separatamente gli consenti, inoltre, di valutare
e/m
, rapporto tra carica e massa dei costituenti del fascio.
Il valore di
e/m
che Thomson ottenne per i raggi catodici era molto elevato: questo implicava particelle con massa molto piccola rispetto alla carica. Tale particella venne chiamata
elettrone
, simbolo
e
, dal greco
elektron
,
ambra
.
Nel
1911
Ernest Rutherford
, bombardando una sottile lamina di metallo con
radiazioni alfa
, porto prove sperimentali per dimostrare che quasi tutta la massa degli
atomi
e contenuta in un minuscolo
nucleo atomico
con un diametro di 10
5
volte inferiore all'atomo stesso. La regione esterna e quindi occupata dagli elettroni di Thomson tutti uguali fra loro, ma i nuclei atomici differiscono fra loro sia per massa che per carica elettrica.
Il nucleo piu leggero, quello dell'idrogeno, ha una singola carica elettrica positiva, e tutti gli altri nuclei hanno cariche positive che sono multipli interi di quella dell'idrogeno. Fu supposto, quindi, che il nucleo fosse composto da quelle particelle, qualunque fossero, di cui il nucleo dell'idrogeno aveva un esemplare. Fu battezzata da Rutherford
protone
, simbolo
, dal greco
proton
, forma neutra di
protos
, "primo".
Pero era chiaro che i nuclei con piu protoni si sarebbero disintegrati a causa della
forza di repulsione elettrostatica
, quindi affinche fossero stabili era necessaria o una particella stabilizzatrice o una forza diversa da quella elettrica, di intensita tale da contrastare la repulsione. In effetti entrambe le ipotesi sono vere.
Nel
1932
Irene Joliot-Curie
, figlia di
Pierre
e
Marie Curie
, insieme al marito
Frederic Joliot
aveva scoperto che il
berillio
, in seguito al bombardamento con particelle provenienti da una sorgente di
polonio
, emette delle particelle elettricamente neutre molto penetranti. Essi provarono che queste particelle possono espellere protoni da materiale contenente
idrogeno
. Sembro naturale supporre che le particelle neutre fossero
fotoni
ma sarebbero occorsi fotoni ad energia troppo alta (50 M
eV
) per provocare un fenomeno del genere. Allora l'esperimento fu ripreso da
James Chadwick
che dimostro che quelle particelle non erano prive di massa, come il fotone, ma avevano all'incirca la massa del protone. Questa particella, poi chiamata
neutrone
, era stata ipotizzata gia nel
1920
da Rutherford.
A questo punto, si giunse alla conclusione che il nucleo atomico e, in realta, costituito da protoni separati da un numero all'incirca uguale di neutroni.
Successivamente si scopri che il neutrone ha una massa maggiore, anche se di poco, a quella del protone. Per questo motivo esso e instabile, cioe tende a decadere in altre particelle piu stabili. Nel caso del neutrone abbiamo il
decadimento β
, noto fin dal
1900
, che porta il neutrone a decadere in un protone ed in un elettrone. Tuttavia gli esperimenti di disintegrazione
mostrano che per assicurare la
conservazione dell'energia
era necessario un nuovo tipo di particella neutra per pareggiare l'energia totale nel sistema prima e dopo il decadimento. Questa particella fu chiamata
neutrino
(simbolo
). Il processo di decadimento
venne considerato:
- .
Negli anni
1932
-
33
fu scoperta un'altra nuova particella: il
positrone
. Questa scoperta fu resa possibile dall'uso di un apparecchio estremamente ingegnoso, chiamato
camera a nebbia
, ideato da
Charles Thomson Rees Wilson
.
L'esistenza del positrone era gia stata predetta teoricamente durante gli anni
1930
-
31
. La predizione era basata sull'elegante teoria dell'elettrone formulata da
Paul Adrien Maurice Dirac
, che aveva applicato i metodi della
meccanica quantistica
per stabilire le
equazioni d'onda
in un
campo elettrico
. Le soluzioni di queste equazioni davano due stati elettronici con
energia cinetica
rispettivamente positiva e negativa.
Secondo la teoria si dovevano verificare transizioni fra i due stati. Poiche non si osservavano, Dirac dedusse che tutti gli stati di energia negativa dovevano essere occupati, ma qualora si fosse verificata una lacuna, cioe uno stato di energia fosse risultato libero, essa avrebbe dovuto corrispondere a una particella osservabile con massa e
spin
uguali a quelli dell'elettrone e con carica opposta. Tale lacuna era il positrone. Questa particella, scoperta effettivamente da
Carl David Anderson
, e quindi l'
antiparticella
dell'elettrone.
Nel corso del graduale rivelarsi delle proprieta di una particella piu di una volta le convenzioni sono cambiate. Quella a tutt'oggi accettata per il neutrino e diversa da quella adottata per la prima volta da Fermi. Infatti oggi si ritiene che sia l'
antineutrino
(
) la particella neutra emessa dalla disintegrazione
del neutrone:
dove
e il protone,
e l'elettrone e
e l'
antineutrino elettronico
.
Il passo successivo per lo studio del nucleo e delle sue particelle a questo punto si blocco sulle difficolta di definire la natura delle forze che tengono unito il nucleo.
Si comincio a superare questo ostacolo nel
1935
con una proposta di
Hideki Yukawa
secondo il quale in un nucleo i protoni ed i neutroni sono tenuti insieme da un campo, allo stesso modo con cui in un atomo il nucleo e l'elettrone sono legati insieme tramite il
campo elettromagnetico
. Egli, inoltre, sottolineo che le piccole dimensioni del nucleo implicano che il raggio di azione delle forze nucleari sia piccolo. Ora, per i principi della
relativita ristretta
, la
quantita di moto
media del campo e dell'ordine della
velocita della luce
moltiplicata per la massa del
quanto
associato al campo. Dalle dimensioni dei nuclei Yukawa cosi concluse che questa massa e all'incirca 200 volte la massa dell'elettrone. Piu tardi egli stesso osservo: ≪Poiche un quanto con massa cosi grande non e mai stato osservato sperimentalmente, sembra che la suddetta teoria sia errata≫.
Egli non sapeva, pero, che Anderson e
Seth Neddermeyer
stavano effettuando estese ricerche sulla capacita delle particelle cariche dei
raggi cosmici
di attraversare la materia. I due, nonostante le difficolta dovute all'esplorazione di un campo cosi nuovo, perseverarono nelle ricerche e, negli anni
1934
-
36
, pervennero alla conclusione che nei raggi cosmici erano presenti nuovi tipi di particelle, cariche alcune positivamente, altre negativamente, di massa intermedia tra l'elettrone ed i
nucleoni
e si penso che fossero proprio le particelle di Yukawa. Furono chiamate
mesoni
.
Una raccolta di valori sperimentali della massa dei mesoni in unita
me
,
massa dell'elettrone
, pubblicata nel
1945
concludeva che il valore medio era di 172me, ma le deviazioni da questo valore medio erano molto grandi.
Un esperimento, pubblicato nel
1947
, di
Marcello Conversi
,
Ettore Pancini
e
Oreste Piccioni
sullo studio delle interazioni tra i mesoni dei raggi cosmici ed i nuclei atomici mostro che questa interazione era estremamente debole. Fu allora sottolineato da Fermi,
Edward Teller
e
Victor Frederick Weisskopf
che c'era qualcosa che non andava affatto poiche queste particelle, che interagiscono cosi poco con i nuclei, potevano essere intermediarie solo di forze
volte piu deboli delle intensissime forze nucleari. Per questo motivo si concluse che quelle particelle non fossero quelle predette da Yukawa, e queste ultime non si riuscivano ad osservare a causa della loro breve vita che non permetteva di impressionare gli strumenti allora a disposizione.
Con l'avvento di nuove tecnologie pero queste osservazioni furono possibili. La nuova tecnica che permise queste osservazioni, l'
emulsione fotografica
, fu sviluppata da F. Powell e dal suo gruppo. Dall'esame delle lastre di questi sensibilissimi strumenti si riuscirono a scoprire due differenti tipi di mesone:
e
. Il loro decadimento era:
I mesoni carichi negativamente si disintegrano, si scopri, in modo analogo ai positivi. Da studi particolareggiati si ottennero anche le masse dei mesoni
e
(successivamente battezzati rispettivamente
pione
e
muone
) che sono rispettivamente 273 e 207 volte la massa dell'elettrone.
La scoperta dell'esistenza di due tipi di
mesoni
risolse la situazione. Il pione e identificato con il
mesone
di Yukawa e, poiche si provo che interagisce fortemente con i nuclei, serve da intermediario per le
forze nucleari
, mentre il suo discendente, il
muone
, e il
mesone
dei raggi cosmici osservato da Conversi, Pancini e Piccioni, che non interagisce fortemente con i nuclei.
La situazione esistente nel
1947
costituiva uno schema non troppo complicato. I
neutroni
(
), i
protoni
(
), gli
elettroni
(
) ed i fotoni erano oggetti familiari. Il mesone
aveva la sua ragione d'essere quale intermediario attraverso cui le forze nucleari vengono trasmesse. Le sole particelle elementari inattese erano i muoni
ed i neutrini
.
Questo stato di cose relativamente semplici non duro tuttavia a lungo. In effetti, proprio nel
1947
, a
Manchester
,
George Rochester
e
Clifford Charles Butler
ricavarono, da un grande numero di fotografie in
camera a nebbia
di particelle di sciami penetranti di raggi cosmici, tracce dovute ai prodotti carichi della disintegrazione di una particella neutra di massa uguale a circa 1000 masse elettroniche, valore diverso da quello delle masse di tutte le particelle fino ad allora conosciute.
Due anni piu tardi, nel
1949
, usando la nuova tecnica delle emulsione fotografica, Powell ed i suoi collaboratori ottennero la fotografia di una particella di un raggio cosmico. Essi interpretarono il processo come dovuto ad una
particella K
' che si disintegra in tre mesoni. Sia lo schema di disintegrazione che la massa della particella primaria
non si adattavano ad alcuna delle particelle conosciute a quel tempo. Powell ed il suo gruppo chiamarono questa nuova particella mesone
, ma successivamente venne a coincidere con
. Insieme a
vennero identificate, in quel periodo, un gran numero di altre particelle.
Poiche tali particelle giungevano inattese, si diede loro il nome collettivo di
particelle strane
. Esse sono generate in collisioni in cui sono in gioco energie di piu di un miliardo di eV.
Fino agli anni
1948
-
53
l'unica sorgente disponibile di energie cosi elevate erano i raggi cosmici. Pertanto furono avviate molte ricerche per studiare l'esistenza delle nuove
Particelle Strane
nei raggi cosmici. Ma i raggi cosmici non sono una sorgente controllabile di particelle di elevata energia; inoltre la frequenza con cui si incontrano
particelle cosmiche
di elevata energia in strumenti di dimensioni normali e molto piccola.
Fortunatamente, grazie al rapido sviluppo della tecnologia per costruire macchine capaci di accelerare particelle ad alta energia (
acceleratori di particelle
), divento possibile in questo periodo costruire macchine nel dominio di un miliardo di eV. Quando nel
1953
la prima di tali macchine, chiamata
cosmotrone
, comincio a funzionare al
Brookhaven National Laboratory
di
Long Island
(NY, USA), divento possibile avere particelle strane prodotte a comando in laboratorio.
Le particelle elementari sono distinte a partire dallo
spin
.
- Fermioni
, aventi
spin
semi-intero, divisi nelle seguenti due classi piu le rispettive antiparticelle:
Le due classi di fermioni fondamentali possono essere suddivise per
generazioni
(per convenzione vengono descritte solo le proprieta delle particelle sinistrorse):
[4]
1ª generazione
|
Nome
|
Simbolo
|
Carica
elettrica
|
Isospin
debole
|
Ipercarica
|
Carica
di colore
*
|
Massa
**
|
Elettrone
|
,
|
|
|
|
|
511
keV
/
c
2
|
Positrone
|
,
|
|
|
|
|
511 keV/
c
2
|
Neutrino elettronico
|
|
|
|
|
|
< 2
eV
/
c
2
|
Quark up
|
|
|
|
|
|
~ 3 MeV/
c
2
***
|
Antiquark up
|
|
|
|
|
|
~ 3 MeV/
c
2
***
|
Quark down
|
|
|
|
|
|
~ 6 MeV/
c
2
***
|
Antiquark down
|
|
|
|
|
|
~ 6 MeV/
c
2
***
|
|
2ª generazione
|
Nome
|
Simbolo
|
Carica
elettrica
|
Isospin
debole
|
Ipercarica
|
Carica
di colore
*
|
Massa
**
|
Muone
|
|
|
|
|
|
106 MeV/
c
2
|
Antimuone
|
|
|
|
|
|
106 MeV/
c
2
|
Neutrino muonico
|
|
|
|
|
|
< 2 eV/
c
2
|
Quark charm
|
|
|
|
|
|
~ 1.3 GeV/
c
2
|
Antiquark charm
|
|
|
|
|
|
~ 1.3 GeV/
c
2
|
Quark strange
|
|
|
|
|
|
~ 100 MeV/
c
2
|
Antiquark strange
|
|
|
|
|
|
~ 100 MeV/
c
2
|
|
3ª generazione
|
Nome
|
Simbolo
|
Carica
elettrica
|
Isospin
debole
|
Ipercarica
|
Carica
di colore
*
|
Massa
**
|
Tauone
(o
tau
)
|
|
|
|
|
|
1.78 GeV/
c
2
|
Antitauone
|
|
|
|
|
|
1.78 GeV/
c
2
|
Neutrino tauonico
|
|
|
|
|
|
< 2 eV/
c
2
|
Quark top
|
|
|
|
|
|
173 GeV/
c
2
|
Antiquark top
|
|
|
|
|
|
173 GeV/
c
2
|
Quark bottom
|
|
|
|
|
|
~ 4.2 GeV/
c
2
|
Antiquark bottom
|
|
|
|
|
|
~ 4.2 GeV/
c
2
|
Note:
- *
- Tali
cariche
non sono normali cariche
abeliane
che possono essere sommate assieme, ma autovalori delle
rappresentazioni
del
gruppo di Lie
.
- **
- Quella che si intende comunemente per massa nasce da un accoppiamento fra un fermione sinistrorso ed uno destrorso: per esempio, la massa di un elettrone deriva dall'accoppiamento fra un elettrone sinistrorso ed un elettrone destrorso, il quale e l'antiparticella di un
positrone
sinistrorso. Anche i neutrini mostrano una grande varieta nei loro accoppiamenti di massa, e per questo non e esatto parlare di masse dei neutrini nei loro tipi base o dire che un neutrino elettronico sinistrorso e un neutrino elettronico destrorso hanno la stessa massa, come la tabella sembra suggerire.
- ***
- Quello che in realta e stato misurato sperimentalmente sono le masse dei
barioni
e degli
adroni
e diverse
sezioni d'urto
. Dal momento che i
quark
non si possono isolare a causa del
confinamento
della
QCD
. Supponiamo che la quantita qui esposta sia la massa del quark alla scala di rinormalizzazione della
transizione di fase
della QCD. Per arrivare a calcolare tale quantita, e necessario costruire un
modello su reticolo
e provare ad assegnare masse diverse per i quark fino a trovare quelle per cui il modello approssima meglio i dati sperimentali. Poiche le masse dei quark di prima generazione sono molto al di sotto della scala QCD, le incertezze sono molto grandi: gli attuali modelli di
QCD su reticolo
sembrano suggerire che le masse di tali quark siano significativamente piu basse di quelle nella tabella.
|
- ^
a
b
Sylvie Braibant, Giorgio Giacomelli e Maurizio Spurio,
Particles and Fundamental Interactions: An Introduction to Particle Physics
, 2ª ed.,
Springer
, 2012, pp. 1?3,
ISBN
978-94-007-2463-1
.
- ^
ATLAS experiment presents latest Higgs search status
, CERN, 13 dicembre 2011.
URL consultato il 13 dicembre 2011
(archiviato dall'
url originale
il 6 gennaio 2012)
.
- ^
CMS search for the Standard Model Higgs Boson in LHC data from 2010 and 2011
, CERN, 13 dicembre 2011.
URL consultato il 13 dicembre 2011
.
- ^
W.-M. Yao
et al
. (
Particle Data Group
),
Review of Particle Physics: Quarks
(
PDF
), in
Journal of Physics G
, vol. 33, 2006, p. 1,
DOI
:
10.1088/0954-3899/33/1/001
.
- (
FR
) Albert Messiah,
Mecanique quantique, tome 1
, Dunod, 2003,
ISBN
978-21-00-07361-0
.
- Paul Dirac,
I principi della meccanica quantistica
,
Bollati Boringhieri
, 1971,
ISBN
978-88-33-95161-4
.
- (
EN
) John von Neumann,
Mathematical foundations of Quantum Mechanics
, Princeton University Press, 1955,
ISBN
978-06-91-08003-1
.
- (
EN
) Stephen Gustafson, Israel M. Sigal,
Mathematical concepts of quantum mechanics
,
Springer
, 2003,
ISBN
978-35-40-44160-1
.
- (
EN
) Franz Schwabl,
Quantum mechanics
, Springer, 2002,
ISBN
978-35-40-71932-8
.
- (
EN
) Franco Strocchi,
An introduction to the mathematical structure of quantum mechanics, a short course for mathematicians
, World Scientific Publishing, 2005,
ISBN
978-98-12-83522-2
.
- L. Pauling e E. B. Wilson
Introduction To Quantum Mechanics With Applications To Chemistry
(McGrawHill, New York, 1935)
- S. Dushman
The Elements of Quantum Mechanics
(John Wiley & Sons, New York, 1938)
- M. Planck, L. Silberstein e H. T. Clarke
The origin and development of the quantum theory
(Clarendon Press, Oxford, 1922)
- F. Reiche, H. Hatfield, e L. Henry
The quantum theory
(E. P. Dutton & co., New York, 1922)
- J. F. Frenkel
Wave Mechanics: Advanced General Theory
(Clarendon Press, Oxford, 1934)
- N. F. Mott
Elements of Wave Mechanics
(Cambridge University Press, 1958)
- Antonio Ereditato,
Le particelle elementari
, Il Saggiatore, 2017,
ISBN
978-88-42-82352-0
.
- Gian Carlo Ghirardi,
Un'occhiata alle carte di Dio
,
Il Saggiatore
, 1997,
ISBN
978-88-42-82135-9
.