Sviluppi recenti della fisica sub-nucleare Si intende fornire una breve quadro storico, ma aggiornato agli ultimi eventi, della ricerca dei costituenti subnucleari della materia. Carlo Maria Becchi, INFN sezione di Genova
La fisica nucleare e gli isotopi La scoperta dell elettrone (1897) chiarì che le cariche nucleari sono multipli interi (Z) di quella dell idrogeno (protone). La scoperta degli isotopi (1907) mostrò che anche le masse sono circa multipli interi (A) di quella del protone. In tabella gli isotopi oggi noti. Appare chiaramente il problema nucleare it.wikipedia.org
Chadwick scopre il neutrone (1932) wikipedia.org Il nucleo dell isotopo di massa A e numero Z è formato da A-Z neutroni e Z protoni. Questo spiega la molteplicità.
Il problema posto dal modello di Chadwick I protoni hanno cariche elettriche positive, opposte a quelle degli elettroni, e quindi si respingono, i neutroni sono privi di carica elettrica. Per formare un nucleo neutroni e protoni devono attrarsi con forze più intense di quelle elettrostatiche e con raggio di azione dell ordine di quello dei nuclei, cioè di un milionesimo di milionesimo di millimetro. Qual è la natura di queste forze?
Le forze nella teoria Quanto-Relativistica (Dirac) Le leggi della relatività escludono forze dipendenti dalla sola distanza tra i corpi in interazione, come prevede la legge di Newton. Questo implica che le forze siano portate da Campi che si propagano come le onde sull acqua, con velocità limitata da quella della luce. La meccanica quantistica impone scambi di energia sotto forma di quanti che, per la relatività, sono anche dotati di quantità di moto, sono dunque particelle. Dirac mostra inoltre che a ogni particella corrisponde un campo, la relazione particella-campo è duale.
I campi sono proprietà dello spazio che è neutro, quindi a ogni particella carica ne corrisponde una di carica opposta, l antiparticella. Si ha sempre simmetria delle interazioni per riflessione simultanea di carica, spazio e tempo (CPT) Le possibili polarizzazioni del campo equivalgono a proprietà rotatorie delle particelle (spin). Spin semintero implica principio di esclusione I campi possono avere simmetrie tra cui quelle di gauge agiscono indipendentemente in punti diversi.
Le forze hanno raggio d azione R=h/(2pmc) dove m è la massa della particella, c la velocità della luce, h la costante di Planck (E=hn). Un interazione elementare viene dunque schematizzata come uno scambio di una particella detta bosone intermedio. Se vi è simmetria di gauge, come in elettro-dinamica si ha lo scambio di un bosone vettoriale intermedio, il fotone, che ha spin 1.
Le forze nucleari - Il primo tentativo di soluzione venne da Yukawa che nel 1935 sulla base della teoria di Dirac nel 1928, ipotizzò l esistenza di un bosone scalare intermedio il mesone p la cui massa rende conto dei raggi nucleari. - L interazione di Yukawa fu detta forte per la sua intensità milioni di volte quella atomica en.wikipedia.org
La radioattività beta: una terza interazione subatomica, l interazione debole en.wikipedia.org Nel 1896 Becquerel aveva scoperto la radioattività. Nel 1934 la radioattività beta fu interpretata da Fermi, sulla base della teoria di Dirac, come la trasmutazione del neutrone in protone, elettrone e l ipotetico neutrino, mediata dal bosone W carico e massivo
Le particelle elementari negli anni trenta Sei particelle e tre interazioni In alto in violetto sono i barioni che col mesone p hanno interazioni forti e elettromagnetiche, e deboli. Oggi sono detti adroni. In basso in verde sono i leptoni, e e n (ipotetico) che hanno solo interazioni elettromagnetiche mediate dal fotone (g) e deboli. Restano fuori schema le particelle che mediano le interazioni deboli e gravitazionali.
Le scoperte sperimentali degli anni 930-950 Il quadro dei sei costituenti è quasi confermato Nel 1932 Anderson conferma l esistenza della antimateria scoprendo il positrone. (foto a lato). Nel 1937 scopre una particella (m) che Yukawa identifica col mesone p. Ma nel 1946 Conversi, Pancini e Piccioni mostrano che il m è un leptone. en.wikipedia.org
Altre scoperte Nel 1947 Powell, (con Occhialini e Lattes) scopre il p di Yukawa e, nel 1949, alcuni adroni con una nuova proprietà, detta stranezza. Nel 1956 Cowan e Reines rivelano gli anti-neutrini prodotti dalla radio-attività di una centrale nucleare. en.wikipedia.org
Produzione di una coppia di particelle strane Un p negativo entra dal basso in una camera a bolle a idrogeno e produce due coppie di tracce ad angolo che originano dal decadimento di un K e un L.
L era degli acceleratori Le scoperte appena elencate sono state basate su sorgenti naturali, raggi cosmici e radioattività. Fu però subito evidente la necessità di sorgenti artificiali come gli acceleratori. Il primo di alta energia fu il sincrociclotrone di Chicago voluto da Fermi (in figura), l ultimo, l LHC del CERN lavora a un energia disponibile mezzo milione di volte più grande. CHUCKMAN'S PHOTOS ON WORD PRESS
Uno sciame artificiale CERN Document
LHC La sala di controllo CERN Document
LHC L acceleratore CERN Document
Un rivelatore (ATLAS) CERN Document
Un interazione con Higgs CERN Document
La serie dei nuovi adroni con diversa carica, stranezza e spin forma una tavola periodica adronica organizzata in gruppi di 8 e 10. Gli adroni sono composti. Ecco come i barioni di un decupletto sono formati da tre quark, distinti dalle lettere u, d e s. La scoperta di nuovi adroni Il quark u ha carica 2/3 e d e s hanno carica -1/3, mentre s porta stranezza negativa (-1).
Per evitare violazioni del principio di esclusione di Pauli, uno dei cardini della meccanica quantistica, si assume che ciascuna delle tre particelle possieda uno fra tre valori diversi di una nuova carica detta colore. E necessario un nuovo modello di interazione forte perché il mesone p è composto. E naturale assumere un interazione con simmetria di gauge associata alla carica colore si ha così la Cromodinamica Quantistica, (QCD) In QCD l interazione fra i quark è mediata da bosoni vettoriali, detti gluoni, secondo il modello di Yang e Mills nel (1954) per i bosoni vettoriali interagenti
Così il protone appare nel nuovo modello en.wiki.org Nel 1973, Gross, Politzer e Wilczek mostrano che da vicini i quark si comportano come particelle libere, cosa che è stata ampiamente verificata sperimentalmente. Nel 1974 Wilson mostra che a grandi distanze i quark interagiscono fortemente al punto di essere confinati, insieme ai gluoni, negli adroni.
L interazione debole alle alte energie Il modello proposto da Fermi è stato facilmente adattato all ipotesi dei quark e alle scoperte delle violazioni delle simmetrie di parità e di inversione del tempo. Ma fallisce nelle sue applicazioni alle alte energie e risulta inconsistente con l elettrodinamica. L origine di queste difficoltà è dovuta alla massa del bosone intermedio W, non alla sua carica. Infatti il modello di Yang e Mills tratta bosoni vettoriali in interazione purché privi di massa. W e fotone interagiscono, dato che il W è carico. Quindi il W non dovrebbe avere massa.
Il superamento della difficoltà Nel 1963 Anderson osserva che in un gas di particelle cariche, (plasma) i fotoni si comportano come particelle massive. Nel 1964 Englert e Brout mostrano che fenomeno si presenta anche in teorie relativistiche. La stesse idee sono elaborate da altri autori, in particolare Higgs mostra che nelle teorie più semplici appaiono bosoni scalari massivi. Il modello elaborato da Higgs è pressoché integralmente inserito in quello proposto nel 1967-68 da Glashow, Salam e Weinberg per le interazioni deboli ed elettromagnetiche.
Sembra che recentemente si siano viste, sempre al CERN, indicazioni di una particella interpretabile come uno scalare di Higgs, ma la conferma di questa interpretazione richiederà accurate analisi Il modello elettro-debole: novità e verifiche. Nel modello le due forze appaiono come differenti aspetti della stessa interazione, cioè vengono unificate. Il modello prevede, oltre al fotone, i bosoni intermedi carichi e massivi W, implicitamente previsti dalla teoria di Fermi, e un altro bosone intermedio neutro e massivo, lo Z. L esistenza dell interazione mediata dallo Z è confermata al CERN nel 1974. Quella dei bosoni intermedi è verificata, sempre al CERN, da Rubbia e van der Meer nel 1983.
Le particelle elementari oggi. In tabella sono mostrati i quark (in violetto) e il gluone (g) che costituiscono la parte adronica. I leptoni (in verde), il fotone (g) e W e Z che hanno solo interazioni elettro-deboli. I bosoni intermedi sono in rosso In fondo si trova il bosone di Higgs (?)
Commenti e possibili sviluppi Il modello elettro-debole con la QCD formano il modello standard, che è risultato in ottimo accordo con gli esperimenti, in particolare quelli a LEP (CERN). Il sistema dei bosoni vettoriali intermedi (g, g, W, Z) suggerisce la necessità di un nuovo modello di grande unificazione (GUT) basato su maggior simmetria. Fra le GUT proposte quelle di maggior successo si basano sulla super-simmetria che implica il raddoppio del numero delle particelle ma non trova conferme. La forza di gravità resta esclusa dai modelli basati sulle particelle, si propone la teoria della stringa che però non ha ancora una formulazione completa
La teoria della stringa Gli oggetti elementari non sono puntiformi, ma anelli e segmenti curvilinei. Essi hanno quindi un infinità di stati possibili di cui le particelle note, con l aggiunta del quanto di energia gravitazionale, il gravitone, non sarebbero altro che gli stati con minor massa. L interazione elementare della teoria della stringa viene schematizzata come in figura. pa.uky.edu
Ancora un commento Un altro aspetto critico del quadro delle ricerche attuali sulle particelle costituenti la materia è legato al fatto che la materia di cui si è trattato è in realtà una minima parte di quella esistente nell universo, il resto, la maggior parte, ha solo il nome di materia oscura, giustificato dal fatto che ha natura ignota e non è mai stata vista, ne isolata. Tutto ciò suggerisce di evitare eccessivi entusiasmi da parte della nutrita schiera dei divulgatori della Fisica Sub-nucleare.