Particelle elementari Una introduzione a cura della prof. Maria Guida

Particelle elementari: la più piccola porzione di materia “indivisibile” Al momento circa 30 se contiamo solo quelle con vita media di almeno 10-16 secondi

..Vita ..Massa FOTONI fotone stabile zero FERMIONI leptoni elettrone 0,511 neutrino <0,002 muone instabile 105,659 barioni protone 938,256 neutrone 1,01·10³s 939,256 peroni instabili >1000 risonanze barioniche >1115 BOSONI mesoni kaoni da 135 a 498 pioni >da 135 a 498 risonanze magnetiche

Caratteristiche delle particelle elementari Le particelle elementari possono avere differenti caratteristiche che hanno un ruolo determinante nelle loro interazioni, o azioni reciproche. La massa che, espressa in una particolare unità di misura (MeV) riferita alla sua energia totale, può andare dal valore 0 per il fotone, a 1675 per un tipo di barione. La carica elettrica, che può essere nulla, (neutroni), o positiva (protoni), o negativa (elettroni). Il momento magnetico, che può essere nullo, o positivo o negativo. Lo spin, che è il moto rotatorio su se stessa della particella; il senso di rotazione può essere orario od antiorario.

Interazioni fra particelle elementari L'interazione gravitazionale, scoperta da I.Newton, dice che due corpi si attirano con una forza che è direttamente proporzionale alle loro masse e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. Essa interessa quindi soltanto le particelle dotate di massa, ma è talmente debole che non può essere rilevata sperimentalmente. Anche per l'interazione gravitazionale si parla di "particelle attrici" della gravità, i "gravitoni", che per il momento sono solo supposti.

Tipi di interazione l'elettromagnetica, che tiene insieme gli atomi e le molecole; la gravitazionale, che tiene insieme i pianeti, le stelle e le galassie; la nucleare, che tiene insieme i nuclei atomici; la debole che non tiene insieme nulla.

L'interazione elettromagnetica L'interazione elettromagnetica è data dall'insieme delle azioni elettriche e magnetiche che si sviluppano fra cariche elettriche e riguarda quindi le particelle dotate di carica elettrica (protoni ed elettroni); è responsabile dei processi chimici e della formazione di tutte le strutture atomiche e molecolari. Uno dei suoi aspetti è l'azione di repulsione fra cariche di segno eguale e quella di attrazione fra cariche di segno opposto

L'interazione nucleare L'interazione nucleare (detta anche "interazione forte") è la più intensa di tutte le forze in natura, e consiste nella forza di coesione esistente nell'interno dell'atomo e tiene insieme protoni e neutroni con energie di circa 10 milioni di elettron-volt, mentre l'interazione elettromagnetica, che lega gli elettroni al nucleo, è solo di qualche decina di elettron-volt. La sua portata non supera la distanza di 10-13 cm. Ma i nucleoni non sono le sole particelle sottoposte all'interazione nucleare; fra tutte le particelle oggi note solo quattro non ne prendono parte: esse sono il fotone ed i leptoni (elettrone, neutrino, muone). Anche qui l'interazione fra le "particelle attrici", protoni e neutroni, avverrebbe mediante lo scambio di "particelle vettrici" che sono i "mesoni pi" o "pioni".

L'interazione debole L'interazione debole è data dalla capacità di modifica spontanea, accompagnata da emissione di radiazioni, degli atomi dei materiali radioattivi, come nell'atomo di uranio che si trasforma in atomo di piombo. Le due forze, quella elettrica di repulsione e quella nucleare di attrazione, si equilibrano sino a che il rapporto fra il numero di protoni e di neutroni rimane proporzionato entro determinati limiti. Quando si libera un neutrone avviene una trasformazione: dal neutrone libero si producono tre nuove particelle elementari, un protone, un elettrone ed un neutrino. Ma se il numero di protoni, e quindi la forza elettrica di repulsione, aumenta, si può raggiungere il punto in cui i neutroni non riescono più a mantenere unito il nucleo. L'interazione debole ha un raggio di azione estremamente piccolo e si suppone che sia prodotta dalla scambio di una particella molto pesante (mesone W).

L’antimateria Disponendo di sufficiente energia si possono ottenere antiparticelle per tutte le particelle note. Ad esempio, se una particella viene bombardata con un'altra, accelerata da un acceleratore, dall'urto fra le due si può liberare energia in grado di creare una coppia particella-antiparticella. Si possono così creare coppie di protoni e antiprotoni, elettroni e positroni, e con un positrone ed un antiprotone si può produrre un "antiatomo" di anti-idrogeno, e quindi altri antiatomi, antimolecole, antimateria.