Che cosa sono i quark?
Scienza e Fisica Quantistica
Scienza e Fisica Quantistica
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Per capire bene cosa sono, dobbiamo prima soffermarci sul significato dei quattro tipi di forze fondamentali che agiscono nell’Universo.
Antonella Ravizza - 19/04/2022
Nel 1964 il futuro nobel per la Fisica Murray Gell-Mann del “California Institute of Technology” e George Zweig, allora al CERN di Ginevra, cercarono di spiegare l’esistenza di un piccolo numero di costituenti fondamentali, che Gell-Mann stesso chiamò “quark” (il nome è tratto da un passo del Finnegans Wake di James Joyce, e sarebbe la contrazione di question mark, ovvero punto interrogativo) e che erano i “mattoni” dei protoni e dei neutroni.
Le 4 forze fondamentali dell'Universo
Per capire bene cosa sono, dobbiamo prima soffermarci sul significato dei quattro tipi di forze fondamentali che agiscono nell’Universo:
1. la forza nucleare forte è la forza che permette ai protoni di rimanere uniti tra loro, la sua azione incollante è la più forte delle quattro;
2. la forza nucleare debole è responsabile del decadimento radioattivo di alcune particelle nucleari (non tutti gli atomi sono stabili al loro interno, alcuni perdono qualche particella, sprigionano energia e danno origine a nuove particelle);
3. la forza elettromagnetica tiene uniti gli elettroni al nucleo ed è più debole della prima forza;
4. la forza di gravità, è la più debole di tutte, in quanto per essere determinante necessita della presenza di grandi masse di materia.
Le particelle subnucleari soggette alla forza forte vengono classificate come adroni e fra di essi troviamo alcune particelle molto note, quali i protoni, i neutroni e i mesoni (una particella supposta avere una massa intermedia tra quelle dell'elettrone e del protone) e altre particelle meno conosciute, più instabili e ottenute come prodotto di collisioni ad alta energia.
Ma cosa sono gli adroni? Gli adroni non fanno parte delle particelle elementari, perché sono formati da una diversa combinazione di un numero piccolo di costituenti fondamentali: i quark, appunto.
Verso la fine degli anni Sessanta vennero sparati elettroni ad alta energia contro protoni e neutroni e si ebbe la conferma dell’esistenza dei quark. Infatti la distribuzione angolare degli elettroni diffusi mostrava che alcuni di essi urtavano contro qualcosa di puntiforme ed elettricamente carico, contenuto all’interno dei protoni e dei neutroni.
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I tipi di quark
Oggi si sa molto di più. In effetti sono stati classificati sei tipi diversi di quark: su (u), giù (d), incanto (c), strano (s), basso (b) e alto (t), che si distinguono per massa e carica elettrica.
Vediamo le loro caratteristiche:
1. quark Up (quark su), detto anche quark-u. Ha massa di 9∗10^(−30) kg;
2. quark Down (quark giù), detto anche quark-d. Ha massa di 1,8∗10^(−29) kg;
3. quark Strange (quark strano), detto anche quark-s. Ha massa di 3,5 * 10^(−28) kg;
4. quark Charm (quark incanto), detto ache quark-c. Ha massa di 2,3 * 10^(−27) kg;
5. quark Bottom (quark sotto), detto anche quark-b. Ha massa di 7,7 * 10^(−27) kg;
6. quark Top (quark sopra), detto anche quark-t. Ha massa di 3,1 * 10^(−25) kg.
I quark hanno spin ½ e una carica elettrica che è una frazione della carica dell’elettrone: essa vale -1/3 per i quark s, d, b e + 2/3 per i quark u, c, t . Lo spin è una forma di momento angolare e richiama la rotazione della particella attorno al proprio asse.
I quark formano combinazioni in cui la somma delle cariche è un intero: protoni e i neutroni sono formati rispettivamente da due quark u e da un quark d, con carica totale +1 e da un quark u e due quark d con carica totale 0. Inoltre vengono tenuti insieme tra loro dalla forza forte, la stessa che lega tra loro protoni e neutroni e decadono, a causa della forza debole. Essi a volte si trasformano da up a down e viceversa, trasformando così i protoni in neutroni e viceversa.
Il loro decadimento produce altre particelle, tra le quali i bosoni (ciò è definito decadimento beta, comportamento radioattività scoperto da Fermi nel 1933).
Bosoni e fermioni
Nella fisica è importante la distinzione tra bosoni e fermioni: i bosoni sono le particelle costituenti le forze elementari mentre i fermioni costituiscono la materia. I fermioni obbediscono al Principio d'esclusione di Pauli, mentre i bosoni, tendono ad affollare gli stati quantici. Inoltre bosoni e fermioni si differenziano per il numero di spin: infatti i bosoni hanno sempre spin intero, mentre i fermioni frazionari, precisamente la metà di un numero dispari.
L'esistenza dei quark che non appartengono alla famiglia primaria degli up e dei down è stata dedotta da altri processi di decadimento. Sembra che i quark si possano osservare sempre accoppiati, ecco perché ad un quark up corrisponde sempre un quark down, ad un strange un charm, e ad un bottom un top.
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Altre proprietà dei quark
In base alla teoria della cromodinamica quantistica (QCD), i quark possiedono un'altra proprietà chiamata "carica di colore" (che non ha niente a che vedere con i colori reali) e che è di tre tipi: "rosso", "verde" e "blu". Nella teoria, solo particelle con "colore neutro" possono esistere. Particelle composte da un quark rosso, uno verde e uno blu vengono dette barioni (un tipo di particella della famiglia degli adroni con massa da 1.800 a 3.400 volte quella dell' elettrone, come i protoni o i neutroni) che nell' ipotesi di Gell-Mann sono formate da tre quark.
Interessante è capire cosa riesce a scoprire la scienza! Un recente esperimento chiamato CMS al Cern di Ginevra ha fatto collidere protoni con nuclei di piombo; si sono formate coppie di frammenti le cui traiettorie restano per breve tempo correlate, come se fossero immerse in un fluido che le tiene unite. Il fenomeno è simile a quello già osservato in precedenza con collisioni di nuclei di piombo contro altri nuclei di piombo. Qual è la spiegazione? Dalla collisione si forma per breve tempo una minuscola gocciolina di plasma quark gluonico, che si raffredda rapidamente per poi dissolversi.
Ma siamo sicuri che i quark non siano composti da ulteriori mattoncini?
Lo scopriremo solo vivendo... e studiando!
