Sul Quark
Cosa c’è dentro un atomo? Cosa c’è dentro un protone? Sono domande poste dai fisici, che cercano di capire la materia al livello più fondamentale.
Un atomo contiene un nucleo, composto da protoni e neutroni, circondato da una nuvola di elettroni. Gli esperimenti che sondano più in profondità scoprono che gli elettroni non mostrano alcuna struttura, ma i protoni e i neutroni sì. Essi contengono particelle fondamentali chiamate quark, che si attraggono così fortemente che non possono esistere come particelle libere in condizioni ordinarie. I cosmologi teorizzano che nelle incredibili condizioni subito dopo il Big Bang, i quark potrebbero esistere liberamente in quello che viene chiamato plasma di quark-gluoni, uno stato della materia che alcuni fisici delle particelle stanno cercando di creare in laboratorio. (Vedi Nuclei Knockdown)
Diagramma della struttura a quark di protoni e neutroni (schema per gentile concessione del Brookhaven National Laboratory)
Come sappiamo che i quark esistono? Dobbiamo dedurlo da misure indirette, poiché non possiamo osservare un quark libero. Per esempio, quando gli elettroni ad altissima energia si scontrano con i protoni, la distribuzione delle particelle dopo la collisione mostra che ci sono minuscole particelle all’interno dei protoni.
I quark esistono in sei suggestivi “sapori” – su, giù, strano, incantato, in basso e in alto – e per ognuno di questi esiste un antiquark. (Vedi The Buzz about Antimatter)
Le combinazioni dei quark up e down formano le particelle nucleari – due quark up e uno down per il protone, e un quark up e due down per il neutrone, come mostrato nel diagramma. Le cariche dei quark si combinano per dare la carica del protone e del neutrone, come mostrato sotto e nella tabella.
Protone = quark up + quark up + quark down
Carica del protone:
+1 = 2/3 + 2/3 – 1/3
Neutrone = quark up + quark down + quark down
Carica del neutrone:
0 = 2/3 -1/3 – 1/3
Un altro tipo di particella, il mesone, è composto da due quark o, più precisamente, un quark e un anti-quark. Per esempio, il pi-plus è un quark up e un quark anti-down. Questo ci dà due tipi di particelle fatte di quark: particelle subatomiche nucleari (il protone e il neutrone) e mesoni. Potrebbero essercene altri?
Ricerca
Secondo il Modello Standard, protoni, neutroni, pi-mesoni e altre particelle correlate sono composti da varie combinazioni di quark. In questa teoria, una particella composta da cinque quark – il pentaquark – è possibile. C’è un vecchio detto in fisica che dice: “Tutto ciò che non è proibito è richiesto”. Forse con questo in mente, i fisici hanno cercato la particella a cinque quark per 30 anni. Nel 1997 questa ricerca ha ricevuto una nuova direzione con la previsione di tre fisici russi che il pentaquark composto da due quark up, due quark down e un quark anti-strano avrebbe circa 1.5 volte la massa del protone e potrebbe essere rilevato con l’attuale tecnologia della fisica delle particelle.
La produzione di un pentaquark attraverso l’assorbimento di un raggio gamma (linea ondulata) da un nucleo. Il pentaquark decade così rapidamente che non può essere osservato, quindi la sua esistenza deve essere dedotta dalle osservazioni dei raggi gamma e dei mesoni K+ che sono prodotti quando il pentaquark decade (immagine per gentile concessione di Physics News Graphics, American Institute of Physics).
Il rivelatore di mesoni K al Jefferson Lab (JLab), uno dei laboratori dove è stato osservato il pentaquark (foto per gentile concessione di Greg Adams, Jefferson Lab).
Il pentaquark è prodotto bombardando nuclei leggeri con raggi gamma ad alta energia, come mostrato nel diagramma. Il pentaquark stesso non può essere rilevato, poiché vive solo circa 10-20 secondi prima di decadere in un neutrone e in un mesone K+ (vedi parte superiore destra del diagramma). Le osservazioni del mesone e dei raggi gamma hanno stabilito la presenza del pentaquark, e tre ulteriori esperimenti hanno confermato questo risultato.
Questo nuovo tipo di particella esotica ha fatto molto scalpore nel mondo della fisica. Come spesso accade, la scoperta ha sollevato nuove domande interessanti, perché si è scoperto che la teoria stessa che ha portato gli sperimentatori alla loro scoperta non prevede correttamente tutte le proprietà del pentaquark. Una teoria concorrente è già apparsa, e poiché entrambe le teorie prevedono particelle non ancora scoperte, e con masse diverse, gli esperimenti futuri potrebbero risolvere questo disaccordo. In ogni caso, è un momento eccitante nella fisica delle particelle.
Links
Lawrence Berkeley National Lab
- L’avventura delle particelle
Acceleratore lineare di Stanford
- Teoria delle particelle
L’Exploratorium/CERN
- La Exploratorium/CERN
- Il modello standard
Costruzione del rivelatore del Jefferson Lab (foto per gentile concessione del Jlab/Department of Energy).
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