Dalla Fisica Nucleare al bosone di Higgs

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28/02/2014 17:28 - 09/02/2017 15:08 #128 da P. Strolin
P. Strolin ha creato la discussione Dalla Fisica Nucleare al bosone di Higgs
Dalla Fisica Nucleare al bosone di Higgs
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Per domande: autori o Domanda a un esperto
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Gli articoli del gruppo Dove porta la concezione atomistica? nel programma globale di Saggi tematici sulla Fisica moderna sono volti a sviluppare un quadro storico e a ragionare su prospettive. Questo segue Da Leucippo alla Fisica Atomica .

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Fig. 1. Il Colosseo e (a sinistra) la Meta Sudans
Sesterzio bronzeo
Imperatore Tito (circa 80 d.C.)
Immagine Civis romanus sum
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Fig. 2. La Meta Sudans vista attraverso l’Arco di Costantino
Fotografia attorno al 1930, Immagine Civis romanus sum

Fisica Nucleare

La Fisica Nucleare descrive il nucleo atomico come un insieme compatto di protoni e neutroni. Come mostrato in figura 2 di Da Leucippo alla Fisica Atomica , essa fece crollare il numero di particelle ritenute elementari, prima corrispondente a quello degli elementi chimici. Il crollo fu inizialmente a 2 (protone e elettrone) e poi risalì a 3 con la fondamentale scoperta del neutrone nel 1932.

Si può ritenere che le vie di grande comunicazione dell’antica Roma avessero un loro simbolico crocevia – un “miglio zero” – in corrispondenza della “ Meta sudans ”. Era questa una fontana monumentale di età flavia (69-96 d.C), situata presso il Colosseo di fronte all’Arco di Costantino (figure 1 e 2). Le sue fondamenta sono state recentemente portate alla luce da scavi archeologici, dopo la distruzione operata in epoca fascista per l’apertura della Via dell’Impero. Il “miglio zero” della Fisica Nucleare fu la scoperta del neutrone.


Fig. 3. Adroni e loro classificazione

”Chimica” Subnucleare

Oltre alle particelle subnucleari costituenti il nucleo atomico – protone e neutrone, detti “nucleoni” – ne furono scoperte altre della stessa classe, detta dei “barioni” (dal greco βαρύς, pesante). Nel 1947 fu scoperto il “pione”, capostipite di una nuova classe detta dei “mesoni” perché il pione ha massa intermedia tra quella dell’elettrone e quelle di protone e neutrone. A barioni e mesoni viene dato il nome generico di “ adroni ” (dal greco ἁδρός, forte), perché soggetti alla Interazione Forte . Il numero di adroni crebbe tanto da non renderli più credibili come particelle elementari. La tabella in figura 3 descrive schematicamente la classificazione degli adroni. Maggiori dettagli sono dati in Protone, pione & adroni . In sostanza, la Fisica Subnucleare si ritrovò nella situazione della Chimica prima di Mendeleev.
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Fig. 4. Sfere di eguali dimensioni
generano una simmetria esagonale
Immagine Philosophy of pattern
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Fig. 5. Protone p e neutrone n inseriti in una simmetria
Immagine Wikipedia

Quarks

Mendeleev trovò “periodicità” nelle proprietà degli elementi chimici. Agli inizi degli anni Sessanta si riscontrarono addirittura “simmetrie” nel comportamento degli adroni. Per render conto del potere deduttivo delle simmetrie, di osservare un vassoio pieno di biglie come in figura 4, ma senza poterle distinguere individualmente. Tuttavia, globalmente distinguiamo una simmetria esagonale. Ne deduciamo che le biglie (non viste) hanno tutte la stessa dimensione. In generale, dalla simmetria di un “sistema” si può risalire ai suoi “costituenti” e alle loro proprietà. Un discorso più completo è condotto in Simmetrie: dai solidi platonici ai cristalli minerali .

Simmetrie: protoni, neutroni e … quarks mostra come dalle simmetrie degli adroni si dedusse l’esistenza di loro costituenti: i “ quarks ”. Sinteticamente, questo accadde collocando gli adroni in mappe (non spaziali, ma concettuali) con coordinate corrispondenti a parametri che li caratterizzano (detti “numeri quantici”), opportunamente definiti. Un esempio delle simmetrie riscontrate è riportato in figura 5: protone e neutrone inseriti in un “ottetto” di barioni, sei disposti ai vertici di un esagono e due al centro.

L’esistenza dei quarks fu confermata in esperimenti di collisione, concettualmente analoghi a quello con cui fu evidenziata l’esistenza del nucleo atomico. Questo è esposto in Interazione Forte .

Il protone e il neutrone sono costituiti da quarks cosiddetti “up” e “down”. Sono stati scoperti altri quattro quarks: “strano”, “charm”, “bottom” e “top”. L'etichetta di "particella elementare" passò ai quarks. I quarks possono essere considerati come puntiformi, nel senso che non vi è alcuna evidenza sperimentale di loro dimensioni non nulle. Essi riprendono quindi il significato etimologico di “atomo” secondo Leucippo e Democrito: ἄτομος (a-tómos, che non si taglia, indivisibile).


Leptoni

Come descritto in Hic sunt neutrini e Interazioni Elettro-Deboli , si trovò che nel decadimento beta dei nuclei atomici è prodotto un suo “familiare” elettricamente neutro e con massa praticamente nulla: un “neutrino”.

All’elettrone si aggiunsero due particelle simili ma di massa maggiore: il “muone” e il “tauone”. A ciascuno di essi è associato uno specifico neutrino. Vi sono quindi tre neutrini. Tutte queste particelle sono dette “ leptoni ” (dal greco λεπτός, leggero). Al contrario dei quarks, i leptoni non sono soggetti alle Interazioni Forti. Come i quarks, i leptoni possono essere considerati puntiformi.

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Fig. 6. Quarks, leptoni, mediatori e bosone di Higgs nel Modello Standard
Immagine Fermilab today
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Modello Standard

Come esposto in Simmetrie e interazioni fondamentali , una magica Simmetria (della classe detta “di Gauge”) ha portato alla formulazione del cosiddetto “Modello Standard” delle particelle elementari. Esso impacchetta e infiocca quarks, leptoni, mediatori delle forze e bosone di Higgs in un quadro teorico compiuto e coerente (figura 6).

I quarks sono raggruppati in tre “famiglie”. La carica elettrica dei quarks "a piano terra" è -⅓ e aumenta di 1 dal basso verso l’alto (la carica unitaria essendo quella dell’elettrone, in valore assoluto). Le masse dei quark sono crescenti dal basso verso l’alto e da sinistra verso destra. Le famiglie di quarks non si parlano quasi tra loro, nel senso che le trasformazioni ([decadimenti[ www.scienzaescuola.eu/index.php/forum/le...zioni-elettro-deboli ]]) per Interazione Debole di quarks in un altro di famiglia diversa sono molto più rare di quelle “in famiglia”.

I leptoni si presentano in modo identico ai quarks per struttura in famiglie ma straordinariamente diverso per proprietà. La carica elettrica è nulla per i neutrini, aumentando però come per i quarks di un’unità passando all’elettrone e agli altri loro compagni carichi del piano superiore. I neutrini hanno massa praticamente nulla. I confini tra neutrini sono molto più labili di quelli tra quarks: i neutrini si trasformano l’uno nell’altro senza grandi reticenze.

Il bosone di Higgs entra nel meccanismo teorico che spiega come sono generate le masse delle particelle. La sua scoperta al CERN ha incoronato il Modello Standard.


Ciclo storico, ma “a numero chiuso” ?

Dopo la scoperta di altri quarks oltre agli originari up, down e strano, la vicenda inflazionale del numero di costituenti elementari vista per elementi chimici e adroni (mostrata in figura 2 di Da Leucippo alla Fisica Atomica ) avrebbe potuto sembrare avviata a ripetersi “mutatis mutandis” (come dice la nota locuzione in latino, probabilmente di origine medioevale).

Ma uno stop clamoroso venne dai neutrini, sempre sorprendenti: al collisionatore elettrone-positrone LEP del CERN si vide sperimentalmente che il numero di neutrini è limitato a tre. L’osservazione è in accordo con deduzioni basate sulla Cosmologia. Dai neutrini lo stop si propaga direttamente ai loro “familiari” carichi – l’elettrone e i suoi simili: in poche parole al numero di famiglie di leptoni. Il Modello Standard prevede un egual numero di famiglie di quarks e di leptoni. Oggi, il numero totale di particelle elementari – quarks e leptoni – appare “chiuso” a 12. La Storia non si ripete?


Fig. 7. Un’interazione tra particelle “alla Feynman” (a sinistra) e secondo la teoria delle stringhe (a destra)
Immagine The theory of everything

Quante “dimensioni”?

Da Leucippo e Democrito fino agli inizi del Novecento il Mondo è stato visto in tre dimensioni spaziale, con il tempo che scorre per conto suo. In questa visione nacque il concetto di “particella elementare”. In essa, un’interazione tra particelle non è molto diversa da quella tra palle da biliardo.

Nel 1905, la Teoria della Relatività estese a quattro il numero di dimensioni da considerare assieme e si iniziò a ragionare in termini di “spazio-tempo”. Sembrò molto difficile rappresentare un’interazione tra particelle nelle tre dimensioni della nostra visione. Interazioni Elettromagnetiche “alla Feynman” mostra che Richard Feynman riuscì addirittura a rappresentarla in due dimensioni. Ad esempio, il “diagramma di Feynman” in figura 7 a sinistra mostra l’interazione tra un elettrone e un positrone tramite lo scambio di un fotone, il mediatore dell’Interazione Elettromagnetica. Abbiamo così accettato il principio di un’estensione della “visione concettuale” dalle tre dimensioni spaziali alle quattro spazio-temporali.

La cosiddetta “ Teoria delle stringhe ” ipotizza che le odierne “particelle elementari” potrebbero essere la rappresentazione “compattificata” e normalmente visibile di oggetti definiti in un numero ancora maggiore di dimensioni. La figura 7 a destra mostra schematicamente come potrebbe svolgersi l’interazione tra due “stringhe”. Il concetto di “particella elementare” - ormai consolidato nella nostra mente - potrebbe non essere il concetto ultimo, ma solo un’utile rappresentazione della realtà nel dominio limitato di fenomeni finora accessibile.

La Teoria delle stringhe insegue il sogno di superare la limitazione del Modello Standard di non considerare affatto l’ Interazione Gravitazionale , lasciandola così concettualmente separata e immune da ogni effetto quantistico. Essa porterebbe a una teoria unificante, talvolta ambiziosamente chiamata “ Teoria del tutto ”. Una tale teoria permetterebbe di comprendere i primissimi istanti dell’Universo, nei quali si ritiene che gli effetti quantistici della Gravitazione abbiano giocato un ruolo fondamentale.

Questi effetti divengono importanti quando una energia dell'ordine di 1019 [/size] GeV è concentrata entro dimensioni spaziali dell’ordine di 10-33 [/size] cm. Una tale energia è spropositata rispetto a quelle accessibili direttamente alla sperimentazione con acceleratori di particelle: LHC al CERN raggiunge energie dell’ordine di “solo” 10000 GeV.

Una curiosità: secondo E = mc2 [/size] a quale massa corriponde una tale energia? L’energia a riposo del protone è di circa 1 GeV, quindi ci vogliono 1019 [/size] protoni. In unità correnti, la massa del protone è dell’ordine di 10-24 [/size] grammi. “Basterebbe” quindi fare annichilare 10 microgrammi di protoni con altrettanti di antiprotoni. Sembra poco ma realizzarlo tecnicamente è oggi impensabile, oltretutto dovendo concentrare l’energia sviluppata entro 10-33 [/size] cm. Purtroppo, una verifica “galileiana” della Teoria delle stringhe appartiene al mondo dei sogni notturni.
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Fig. 8. Jean-Michel Folon
Punto interrogativo
Immagine ziu bustianu
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Fig. 9. Andy Warhol, Vesuvius (1985)
Museo di Capodimonte, Napoli

E poi?

Per dirla con Lucrezio , la "solida semplicità” del quadro fornito dal Modello Standard non ha precedenti. La convivenza della radicale diversità tra quarks e leptoni con l’identica struttura in famiglie è stupefacente. L’identità strutturale tra “famiglie” di quarks e di leptoni propaga a esse lo stop a tre dato dal numero dei neutrini: un ripetersi delle storiche inflazioni delle particelle supposte elementari è bloccato per tutti. I cicli storici della concezione atomistica, nata con Leucippo oltre 2000 anni fa e giunta fino a noi, sembrano essere sfociati in una situazione nuova anche per quanto riguarda il numero di particelle elementari. Il mistero convive con la semplicità ed è quindi ancora più sconcertante dei “soliti misteri”. L’acquerello di Jean-Michel Folon (1934-2005) in figura 8 illustra simbolicamente la situazione.

La situazione ricorda quella del Vesuvio . Le maggiori eruzioni sono dette “pliniane” o “sub-pliniane”, da Plinio il Giovane che descrisse con moderna efficacia quella che distrusse Pompei nel 79 dopo Cristo ( Lettere a C. Tacito VI.16 and VI.20, circa 104 d.C). L’ultima di esse avvenne nel 1631 . Dopo la molto meno devastante ultima eruzione nel 1944 , solo fumo e da decenni neanche quello. Vi è un suo anomalo ritardo rispetto alle periodicità storiche. Quanta energia si sta accumulando? Cosa si prepara nelle sue viscere? Non abbiamo risposta certa, ma in figura 9 l’immaginazione parla alto.

Un’analoga domanda si pone per le particelle elementari. Si prepara un’estensione delle nostre conoscenze, o qualcosa di concettualmente nuovo? Quali sono le radici profonde della visione attuale? Come e dove scavare per trovarle e comprenderle? Frontiere e metodologie del poi presenta alcune considerazioni.

Paolo Strolin e Francesco Tramontano

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Professore Emerito di Fisica Sperimentale
Università di Napoli "Federico II"
Complesso Univ. Monte S. Angelo
Via Cintia - 80126 Napoli - Italy
Ultima modifica: 09/02/2017 15:08 da Paolo.

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