FISICA SUBNUCLEARE

Di cosa è fatta la materia? La ricerca dei costituenti ultimi e indivisibili della materia, iniziata dai filosofi greci, continua ininterrotta da circa venticinque secoli. Dalla descrizione del mondo per mezzo di quattro elementi . . .

Di cosa è fatta la materia? Tutto ciò che esiste in natura ha origine da un numero limitato di costituenti fondamentali; questi elementi per tradizione sono le particelle elementari e rappresentano le più piccole e le più semplici unità di materia fisicamente concepite. Il termine “elementare” oggi viene attribuito ad ogni elemento di materia di cui al momento attuale non se ne conosce una struttura.

Particelle fondamentali FERMIONI (Statistica di Fermi-Dirac, Principio di esclusione di Pauli, spin semi- intero) Leptoni (soggetti alla forza debole – elettroni, muoni e neutrini) Quark (soggetti alla forza forte e elettrodebole – up, down, strange, charm, top, bottom) BOSONI (Statistica Bose-Einstein, spin intero) Bosoni di gauge (mediatori delle forze – fotoni, bosoni W e Z, gluone, Higgs?, gravitone?)

Leptoni Sono una famiglia di particelle di materia, con spin semi-intero appartenenti alla famiglia dei Fermioni Ci sono sei leptoni, tre con carica elettrica negativa e tre neutri Il leptone carico più famoso e’ l’elettrone. Poi ci sono due elettroni più pesanti, il muone e il tau entrambi con breve vita media Ad ognuno di essi è associato un neutrino con carica elettrica neutra

Sono un altra famiglia di particelle di materia, con spin semi-intero I QUARK Sono un altra famiglia di particelle di materia, con spin semi-intero e carica elettrica +2/3 o -1/3, appartenenti alla famiglia dei Fermioni Sono di 6 tipi o «sapori» (up, down, top, bottom, charmed, strange) Dotati di carica di «colore» (rosso, verde e blu) In natura non si trovano mai isolati, ma solo uniti in particelle dette Adroni, come per esempio Protone e Neutrone u d protone neutrone

BOSONI di gauge Sono particelle elementari mediatori delle quattro forze fondamentali Ci sono sei tipi di Bosoni di gauge: Fotoni: sono i quanti di energia della radiazione elettromagnetica, massa zero Bosoni W: due tipi con carica elettrica opposta W+ con carica +1 e W- con carica -1 Bosoni Z: indicato anche con Z° in quanto è neutro Gluoni: carica elettrica 0 e massa genericamente nulla, rendono stabile il nucleo atomico Gravitoni: ipotetica Bosone di Higgs: rilevata per la prima volta nel 2012 al CERN, gioca un ruolo fondamentale all’interno del modello standard, in quanto si ipotizza che conferisca la massa alle particelle elementari essendo associato al campo di Higgs che teoricamente permea l’Universo

Il modello standard Il nome con cui si indica la teoria quantistica che include la teoria delle interazioni forti (cromodinamica quantistica o QCD) e la teoria unificata delle interazioni deboli ed elettromagnetiche (teoria elettrodebole o QED). La forza di gravità non è compresa nel modello standard, ma si aggiunge per completezza. La sua bellezza sta nella capacità di spiegare centinaia di particelle e interazioni complesse con poche particelle e interazioni fondamentali.

Vale il principio di incompenetrabilità La fenomenologia e la molteplicità delle particelle elementari può essere interpretata mediante il MODELLO STANDARD secondo il quale esistono particelle di materia spin semintero (fermioni) 6 leptoni corrispondenza biunivica 6 quark caratterizzate da costituite da fra i quali esiste particelle di campo spin intero (bosoni) interazioni fondamentali che mediano le denominate gravitazionale elettromagnetica debole forte mediata da gravitone fotone bosoni W±, Z0 gluoni e interazione elettrodebole unificate nella Vale il principio di incompenetrabilità Non vale il principio di incompenetrabilità

Problemi…. Perché ci sono tre generazioni di quark, e tre di leptoni? I quark e i leptoni sono davvero fondamentali, o sono a loro volta composti di particelle più elementari? Perché il Modello Standard non è in grado di predire la massa di una particella? In base agli esperimenti, ci dovrebbero essere uguali quantità di materia e antimateria nell'universo: allora perché, in base alle osservazioni, l'universo risulta composto principalmente di materia? Come rientra la gravità nel Modello Standard ? Sappiamo che nell'universo ci deve essere molta più materia di quella che possiamo osservare. Questa invisibile materia oscura, che cosa è? Domande come queste spingono i fisici delle particelle a costruire e adoperare acceleratori sempre più avanzati e più potenti, in modo che collisioni ad un'energia ancora più alta possano fornire indizi per risolvere i misteri.

E la massa? Un'altra caratteristica fastidiosa del Modello Standard è che molte interazioni fondamentali semplicemente non vengono spiegate dalla teoria. Per esempio, perché la particella W ha grande massa, e il fotone nulla, se sono tutti e due mediatori di forza? Perché si genera la massa delle particelle, e perché si distribuisce così? Per colmare questa lacuna del Modello Standard, i fisici hanno teorizzato l'esistenza di una particella chiamata il bosone di Higgs. Non è la particella di Dio ma è quella che «conferisce» la massa a tutte le altre

Unificando…oppure no? Uno degli scopi della fisica è di riportare teorie che sembrano non collegate tra loro ad un'unica e semplice teoria unificata. Il vantaggio di una teoria unificata rispetto a molte teorie frammentate è che una teoria unificata offre una spiegazione più elegante dei dati e può indicare nuove aree di studio. Per esempio, tra il 1861 e il 1865, James Maxwell spiegò, nella sua teoria unificata dell'elettromagnetismo, la relazione stretta tra i campi magnetici e quelli elettrici. Oggi, uno degli scopi principali della fisica delle particelle è di unificare le interazioni debole, forte ed elettromagnetica in una "teoria di grande unificazione" (o G.U.T.). Forse una teoria del genere potrebbe dirci a quali energie tutte queste forze si fondono in una sola.

Super-Unificazione

supersimmetria Molti fisici hanno elaborato teorie di supersimmetria, facendo riferimento in particolare alle teorie di grande unificazione, che tentano di unificare le interazioni forte, debole ed elettromagnetica per arrivare a risolvere il problema delle masse (cioè, perché le particelle hanno quelle masse che conosciamo).

Su cosa si basa La teoria di supersimmetria suppone che ogni particella che osserviamo ha una particella "ombra" (in inglese, "shadow"), massiva. Per esempio, per ogni quark ci dovrebbe essere un corrispondente "squark" (shadow-quark) che lo segue dappertutto. Nessuna particella della supersimmetria è ancora stata osservata, ma dall'autunno 1995 al CERN cercano, con esperimenti sotterranei, l'"ombra" del bosone W, mentre al Fermilab si stanno cercando i corrispondenti "ombra" di quark e gluoni. Una delle particelle della supersimmetria, il "neutralino" potrebbe essere quella che compone la materia oscura mancante.

E poi….? … Non ci è dato sapere che misteri ci sono ancora riservati, e tuttavia la scienza continuerà nella sua opera di comprensione del creato e, in ultima analisi, dell’uomo stesso.

E quando avrai finito di leggere questo libro, tu vi legherai una pietra, lo getterai in mezzo all’Eufrate Geremia 51,63