L idea inizia con lo studio sistematico della dipendenza della stranezza dalla carica elettrica di mesoni e barioni di vario tipo.

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1 Costituenti di mesoni e barioni: quark L apparente disordine e disorganizzazione nello zoo delle particelle scoperte nell arco di qualche decennio può essere ricondotto a più semplici e prevedibili strutture. L idea inizia con lo studio sistematico della dipendenza della stranezza dalla carica elettrica di mesoni e barioni di vario tipo. Le figure riportano tali andamenti per mesoni leggeri (a spin zero) e per barioni a spin 1/2 e 3/2.

2 stranezza carica rappresentazione dei mesoni nel piano Stranezza-Carica

3 stranezza carica rappresentazione dei barioni a spin ½ nel piano Stranezza-Carica

4 stranezza carica rappresentazione dei barioni a spin 3/2 nel piano Stranezza-Carica

5 Nel 1964 Gell-Mann e Zweig (indipendentemente) riconoscono negli andamenti sunnominati un segno di organizzazione più generale ed astratta associabile all esistenza di costituenti elementari su scala sub-mesonica e sub-barionica. Più precisamente, viene ipotizzata l esistenza di tre nuove particelle elementari, dette quark: up u down d strange s Caratteristiche dei quark: - sono fermioni (spin 1/2); - hanno numero barionico frazionario pari a 1/3; - i quark u e d sono non strani (S=0) con carica elettrica 2/3 e -1/3 rispettivamente; - il quark s è strano (S = -1) e carica elettrica -1/3. Le proprietà sono riassunte nella tabella che segue:

6 quark spin B q S u ½ ⅓ + ⅔ e 0 d ½ ⅓ - ⅓ e 0 s ½ ⅓ - ⅓ e -1 Vedremo in seguito che per descrivere tutte le particelle (mesoni e barioni) sono necessari altri 3 tipi di quark. Ora consideriamo come sia possibile riprodurre le famiglie di particelle raffigurate sopra con il modello a quark u,d,s. Iniziando dai mesoni con spin 0, si può immaginare che essi siano composti da coppie di quark con spin antiparalleli.

7 I mesoni hanno numero barionico nullo: essendo il numero barionico dei quark pari a 1/3, è necessario considerare coppie di quark/antiquark (antiparticella del quark) per ottenere numero barionico nullo. Prendiamo ad esempio la coppia du. Essa ha B=0, lo spin è nullo (spin antiparalleli), la carica è data da -2/3-1/3=-1, e può essere messa in corrispondenza con il mesone π. Analogamente la coppia ud descrive il π + con carica +1; le coppie ds e us descrivono rispettivamente i mesoni strani K 0 e K + con cariche rispettivamente 0 e 1 e stranezza S = -1. Continuando in questo modo è possibile costruire una tabella di mesoni (sempre dati da coppie quark/antiquark) come quella riportata, che riproduce la struttura osservata nei mesoni a spin nullo.

8 stranezza stranezza +1 ds us 0 du uu dd ss ud -1 su sd carica -1 0 carica +1 rappresentaz. dei mesoni in termini di coppie quark-antiquark nel piano Stranezza-Carica

9 Il π 0 ha la seguente struttura: ( uu dd) / 2 con carica e stranezza = 0. Per i mesoni η ed η' la struttura è un po più complessa, essendo gli osservabili misture di stati puri chiamati η 1 ed η 8. ( ) / 3 e η 8 = ( uu + dd 2ss) / 6 η 1 = uu + dd + ss cos ϑ p sin ϑ p sin ϑ p cos ϑ p η 8 η 1 = η η' ϑ p = 0.2 rad l angolo p di mixing è molto piccolo per cui: η η 8 e η η 1.

10 Per quanto riguarda i barioni (spin 1/2 e 3/2), dobbiamo questa volta considerare terne di quark combinate per riprodurre la sequenza di particelle osservate, che devono avere numero barionico B=1, carica +1, 0 e -1, e spin semi-intero. Utilizziamo a questo scopo ancora una volta lo schema che connette la stranezza alla carica elettrica. Si noti come in questa descrizione la ricetta adottata sia assolutamente priva di connessioni fisiche precise: i connotati sono puramente estetici o astratti, connessi alle simmetrie o regolarità del sistema. Si utilizzano terne di quark in quanto i barioni devono avere B=1 (1/3+1/3+1/3=1) e spin 1/2 oppure 3/2. Neutroni e protoni sono descritti rispettivamente dalle terne di quark udd e uud. Gli altri barioni con s = 1/2 sono rappresentati in figura in termini di quark u, d, s.

11 stranezza stranezza carica carica rappresentaz. dei barioni con s = 1/2 in termini di tripletti di quark nel piano Stranezza-Carica

12 stranezza stranezza Allo stesso modo si possono rappresentare in termini di quark gli altri barioni aventi s = 3/2. carica carica rappresentazione dei barioni con s = 3/2 nel piano Stranezza-Carica

13 E ora possibile utilizzare la descrizione a quark per analizzare decadimenti e reazioni di particelle. Il tutto richiede il rispetto di due regole, ossia che: (a) coppie di quark/antiquark possono venire create o annichilate da/in quanti energetici (ad esempio, raggi gamma) (b) l interazione debole può cambiare un quark in un altro quark tramite assorbimento/ emissione di bosoni vettori intermedi (W e Z), che decadono poi per interazione debole in altre particelle. Per esempio il decadimento della Δ ++ : Δ ++ p + π + nel linguaggio dei quark diviene: uuu uud + ud

14 Le forze elettromagnetica/nucleare non possono cambiare i quark fra di loro. Così la reazione π + p Λ 0 + K 0 che può essere visualizzata nel linguaggio dei quark come: du + uud ds + uds è riconducibile alla reazione elementare: u + u s + s ovvero annichilazione (produzione di energia) della coppia uu che genera la coppia ss. Si osserva però che qualche mesone pesante non risulta descritto secondo il modello a tre quark qui discusso. In particolare, esiste un mesone pesante (detto Ψ, mesone psi) che, invece di decadere per interazione forte in tempi rapidissimi, si trasforma in coppie elettrone/positrone in tempi più lenti, tipici delle interazioni elettromagnetiche. La spiegazione di questo fatto (anomalo) è da rinvenirsi nell introduzione di un quarto tipo di quark, detto charm, con carica 2/3e e con una carica di fascino (charm) che è simile, in qualche modo, alla stranezza già considerata.

15 Si introduce così il numero quantico c, di charm, che è +1 per il quark c e nullo per tutte le altre particelle. E ora possibile costruire una tabella più popolata di stati particellari in termini di sovrapposizione di stati di quark u, d, s, e c. Si osservi come i mesoni a spin nullo, aggiungendo un quarto quark, si arricchiscono di nuovi membri, i mesoni di tipo D (osservati sperimentalmente). rappresentazione dei mesoni nello spazio tridimensionale Stranezza-Carica-Charm

16 La stessa sequenza degli eventi si ripete ad energie ancora più elevate chiamando in causa un quinto quark, detto bottom (b) per spiegare l esistenza di un mesone molto massivo (particella ypsilon). L ultimo (si ritiene) quark è stato scoperto nel 1995 ed è detto quark t, top. Lo zoo barionico e mesonico, almeno fino a questo punto della spiegazione, è stato smantellato e ricostruito per lasciarci con un nuovo zoo di particelle (questa volta, se non altro, elementari ) Chi ci assicura di non scoprire una settima, ottava, decima, cinquantesima famiglia di quark? Va onestamente detto che la situazione teorica è a netto sfavore di un simile proliferare di nuove particelle, pero... Si tratta comunque di accettare una nuova versione della modellizzazione applicata alla tabella periodica degli elementi atomici ora in versione subatomica e sub-nucleare.

17 Il punto essenziale rimane quello di definire gli aspetti fisici diretti di una descrizione che chiama in causa un intera nuova generazione di particelle elementari, per non limitarsi ad una situazione esteticamente e formalmente soddisfacente (o anche perfettamente funzionante) ma non supportata da argomenti fisici specifici. E anche importante notare che, nonostante i tentativi più appassionati, non è mai stato possibile osservare un quark singolo, tanto che la massa dei quark assegnata è quella che include le energie di legame (forza di scambio nucleare, realizzata dai gluoni). Secondo le teorie più assestate i quark risentono del fenomeno di confinamento, per il quale la forza fra quark cresce di intensità all aumentare della loro distanza. I quark sono liberi solo quando sono indefinitivamente vicini fra di essi. Vi sono comunque evidenze sperimentali che confermano la loro esistenza come pure le loro proprietà fisiche, in particolare la loro carica elettrica di ammontare non intero, frazionario.

18 Modello standard, modelli di unificazione. Se si considera una qualunque porzione di materia nel nostro universo, troviamo che per descriverla è necessario chiamare in causa solamente quattro particelle elementari distinte, più le rispettive antiparticelle. Il nucleo atomico è composto da neutroni e protoni, che contengono solamente quark u e d. L atomo contiene elettroni, ed i decadimenti nucleari di tipo beta sono spiegati aggiungendo al sistema neutrini di tipo elettronico. Dunque per descrivere la materia ordinaria del nostro universo si utilizzano due quark e due leptoni, (u,d),(e,ν e ). E solamente provocando artificialmente reazioni ad energia crescente che si manifestano nuovi tipi di particelle, non descrivibili in termini delle quattro particelle elementari di prima generazione. Così è necessario aggiungere altre due famiglie di particelle elementari, secondo uno schema che riproduce il precedente ma con energie a riposo (masse) crescenti. Si aggiungono dunque le coppie quark/leptoni date da (c,s),(µ,ν µ ) e (b,t),(τ,ν τ ).

19 Le proprietà dei 6 quark sono riassunte nella tabelle, nella quale le masse riportate sono riferite ai quark costituenti, perché, come già accennato, non è possibile isolare i quark e dunque l energia di legame (sconosciuta) accompagna sempre la loro massa a riposo. tipo simbolo carica (e) spin ( ) massa (MeV) numeri quantici C S T B up down u d +2/3-1/3 1/2 1/ charm strange c s +2/3-1/3 1/2 1/ bottom top b t +2/3-1/3 1/2 1/ A questo punto, vi sono vari elementi a favore di un modello che non preveda l aggiunta di ulteriori famiglie di quark/leptoni oltre alle tre sopra elencate e descritte. (C = charm, S = strangeness, T = topness, B = bottomness)

20 E interessante citare il fatto che teorie cosmologiche prevedono evoluzioni del nostro universo in disaccordo con osservazioni sperimentali se i neutrini fossero più di tre specie distinte. La forza forte fra i quark, come già accennato, è mediata da gluoni, bosoni a massa nulla di otto tipi distinti: in effetti esiste una teoria ben assestata che descrive gli schemi di accoppiamento fra quark secondo una carica forte, detta carica di colore (che non è un colore vero, ovviamente!). La teoria che spiega le dinamiche di interazione in funzione del colore e del tipo di quark coinvolto è detta cromodinamica quantistica (QCD). Restano poi l elettromagnetismo con il fotone quale mediatore di forza e la forza debole, mediata da tre bosoni vettori (le particelle W ± e Z 0 ). L insieme dei 6 quark/leptoni con le rispettive antiparticelle e i vari bosoni mediatori di forza costituisce la struttura portante del cosiddetto modello standard.

21 Nello spirito di giungere ad una spiegazione la più esaustiva possibile della realtà del nostro universo, esistono teorie destinate ad unificare i comportamenti apparentemente distinti dei vari tipi di forza. Ad esempio, nel 1967 Weinberg e Salam propongono una teoria elettrodebole secondo la quale è possibile descrivere le interazioni elettromagnetiche e deboli come manifestazioni distinte di un unica forza. A supporto della teoria giunge nel 1983 la scoperta dei bosoni vettori W e Z che spiegano infatti la validità dell idea unificatrice di interazione. Vi sono anche tentativi di grand unificare le forze elettrodeboli e nucleari, in uno schema ancora più ampio e generale nel quale leptoni e quark sono uniti in un unico schema descrittivo (con conseguenze complesse e non banali, quali la possibilità di osservare il decadimento di un protone). Le teorie del tutto (come quella delle stringhe ) infine vorrebbero inserire anche la gravità (che si ostina a non lasciarsi descrivere secondo i canoni della meccanica quantistica) nello schema universale delle forze. La strada in questa direzione è tracciata ma il punto di arrivo potrebbe essere ancora molto lontano.