Quark

QUARK

Poiché gli adroni esistono in numero più elevato rispetto ai leptoni, fu ipotizzato che non fossero particelle elementari ma particelle composte da corpuscoli minori.

La teoria dei quark fu sviluppata indipendentemente negli anni Sessanta da M. Gell-Mann e G. Zweig. Essi ritennero che le proprietà delle particelle potessero essere meglio spiegate immaginando che fossero formate da sottoparticelle (Zweig pensò di chiamarle aces, cioè "assi", mentre Gell-Mann propose quark, parola presa da Finnegan's Wake di James Joyce). Questa loro idea risolse un problema che infastidiva i fisici: dalla Seconda guerra mondiale, il numero delle cosiddette particelle fondamentali era andato aumentando in modo drammatico. Al principio degli anni '60 le particelle conosciute erano ormai più di cento. L'ipotesi dei quark mostra come tutti gli adroni possano essere costruiti per mezzo di entità veramente fondamentali.

Per confermare la teoria, i fisici hanno cercato di osservare i quark liberi. Furono intraprese tre vie di ricerca. La prima fu di cercare i quark nella materia ordinaria che ci circonda. La seconda quella di cercare i quark prodotti dalle collisioni tra particelle nei grandi acceleratori. La terza di cercare quark nei raggi cosmici di bassa intensità. Nessuna di queste prove è stata accettata dalla comunità scientifica come diretta osservazione di quark liberi. Perciò parecchi sperimentatori posero la loro attenzione nello studio della radiazione cosmica ad alta energia. Vi è, infatti, la possibilità che i raggi cosmici contengano aggregati di materia in uno stato noto come materia strana oppure quark nuggets, cioè pepite di quark. La teoria standard ritiene che la materia strana sia stabile ma che questo speciale stato possa formarsi solo in condizioni di elevatissima pressione o energia. Gli astrofisici confermarono l'esistenza di queste condizioni. Essi stabilirono che la materia strana poteva venir prodotta nell'universo in due modi: durante le primissime fasi del big bang o al centro delle stelle neutroniche. Una primitiva pepita di quark scaturita dal big bang potrebbe avere una massa di circa una tonnellata e la dimensione di una sfera di circa 0,001 centimetri di diametro. Pepite emesse dalle stelle neutroniche e contenute nei raggi cosmici dovrebbero avere una massa molto inferiore. In ambedue i casi se una di queste pepite dovesse urtare la parte alta dell'atmosfera terrestre, si spezzerebbe producendo uno sciame di particelle, di cui alcune dovrebbero conservare la loro caratteristica "firma": la carica frazionaria.

I quark finora non sono stati isolati, ma se ne conoscono le caratteristiche: spin, massa e carica. La massa si è potuta calcolare in base all'equazione di Einstein: da cui dove E viene espressa in elettronvolt (eV) [L'eV è una delle u.d.m. dell'energia. 1 eV è l'energia acquistata da una particella di carica quando è accelerata da una d.d.p. di 1 V. 1 eV = 1,6 · 10 ^{- 19} J].

La carica è frazionaria rispetto alla carica unitaria (e) dell'elettrone.

Esistono diversi tipi o sapori di quark: up () con massa di e down () con massa di , appartenenti alla prima generazione; charm () con massa di e strange () con massa di , appartenenti alla seconda generazione; top () con massa di e bottom () con massa di appartenenti alla terza generazione. Naturalmente a ogni tipo di quark corrisponde il suo antiquark. Lo spin di tutti i quark è sempre

Ogni tipo di quark ha una stranissima caratteristica denominata carica di colore. La carica di colore è probabilmente la proprietà più importante dei quark ed è decisamente strana ed esclusiva nel panorama delle particelle elementari. Il colore è solo una convenzione che hanno inventato i fisici particellari, sulla base rigorosa di complicatissimi calcoli della teoria quantistica, per esprimere una proprietà dei quark con una similitudine utile a visualizzare un concetto, ma soprattutto per permettere ai fisici di fare calcoli sui quark. Non ha nulla a che fare con il colore che osserviamo nella radiazione elettromagnetica. I quark hanno tre possibili cariche di colore: rosso, blu e verde. Ma non bisogna dimenticarsi che i quark hanno sempre la loro immagine speculare rappresentata dagli antiquark, i quali hanno corrispondenti cariche di anticolore.

I quark combinati a tre a tre formano i barioni [i nucleoni, cioè protoni (due quark up e un quark down) e neutroni (due quark down ed un quark up) e i più pesanti e instabili iperoni, come le particelle lambda, sigma, xi, omega ecc.]; combinati a due a due formano i mesoni (quark + antiquark). Esiste anche una particella costituita da cinque quark denominata Theta + e considerata un barione esotico. Ha una massa pari a circa 1,6 volte la massa del protone ed è costituita, per l'esattezza, da due quark up, due quark down e un antiquark strange.

È bene notare che tutte le particelle formate da quark non sono colorate (sono bianche). Infatti, i tre colori che vengono assunti da ciascuno dei tre quark, fusi assieme danno semplicemente il bianco, che rappresenta la neutralità rispetto al colore. Il colore neutro di queste particelle resta dunque sempre costante ma ciò non vuol dire che le cariche di colore al suo interno restino costanti. In realtà, esse cambiano continuamente come vedremo, ma in una maniera talmente armoniosa da mantenere la somma totale delle cariche di colore su un valore neutro.

Le uniche combinazioni di quark permesse sono:

barioni: a 3 a 3 (rosso + blu + verde = bianco)

mesoni: a 2 a 2 (quark + antiquark:

rosso + antirosso = bianco

blu + antiblu = bianco

verde + antiverde = bianco)

Anche i quark, come i leptoni, possono passare da uno stato di minore a uno di maggiore energia, ma l'energia necessaria a eccitare le particelle nucleari risulta di almeno un milione di volte superiore a quella utilizzata per eccitare gli elettroni esterni al nucleo. La forza che tiene unite tali particelle deve essere enorme, in quanto deve vincere la forza repulsiva cui sono soggette cariche uguali.

Struttura del neutrone Struttura del protone