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Gli articoli del gruppo Storie di quarks nel programma di Saggi tematici sulla Fisica moderna sono volti a dare sinteticamente una visione unitaria di argomenti il cui legante concettuale è il trattare di “insiemi di quarks”. Il filo conduttore della loro sequenza è illustrato nel primo articolo Quarks nell’evoluzione dell’Universo e consiste nel seguire la linea temporale dell’evoluzione dell’Universo.

Nel raffreddamento che conseguì all’espansione dell’Universo, le forze attrattive tra i quarks dovute all’Interazione Forte finirono per prevalere sull’agitazione termica e li portarono ad aggregarsi. Gli aggregati stabili di quarks sono i protoni, e i neutroni se inglobati in un nucleo atomico (vedete una delle appendici in Interazione Elettro-Debole ).

In generale, gli aggregati più semplici di quarks sono le particelle denominate “ adroni ” (dal greco ἁδρός: forte) perché esse stesse globalmente soggette all’Interazione Forte. Cercheremo di rispondere alla domanda: cosa sono gli adroni?

Interazione Forte , Simmetrie: protoni, neutroni, … quarks e Viaggio nei colori: quarks e gluoni sono da considerare propedeutici.

......................................................................................................................... Fig. 1. “Erbe” in un antico erbario stampato Johannes Philippus de Lignamine, Herbarium Apulei Platonici ad Marcum Agrippam, Roma (1483) Immagine Draiflessen Collection

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...................... Prima di Linneus La figura 1 mostra una pagina di antico “ erbario ”, ossia una raccolta di immagini di vegetali accompagnate da un loro nome e da una loro descrizione. Fa sorridere l’ingenuità della denominazione generica “herba” visibile nella didascalia delle figure, che non ne permette un’immediata collocazione scientifica nel regno vegetale. Questo fa subito capire la grandezza di Carl Linneus, “Princeps botanicorum” come dice un medaglione nella Cattedrale di Uppsala ove sono onorate le sue ceneri, e l'importanza di un efficace sistema di classificazione. Rendendoci conto di questo, quando affronteremo la classificazione degli adroni non la subiremo annoiati come da una formalità. .

Regna tria naturae

La figura 2a mostra il frontespizio della prima edizione di Systema naturae di Carl Linnaeus (1707-78). Essa risale al 1735 e fu seguita da una serie di edizioni , con la crescente fama dell’autore testimoniata dai titoli che ne seguono il nome. Tale opera fornisce una grandiosa e fondamentale classificazione systematice proposita dei Regna tria naturae (animale, vegetale e minerale) secondo il metodo “tassonomico”, inventato oltre un secolo prima. E’ un metodo “binomiale”, come quello che identifica le persone con cognome e nome invece di ricorrere a una qualche descrizione della loro identità. Senza il binomio cognome-nome, come faremmo a compilare un elenco telefonico? Per i Regna tria naturae cognome e nome sono “genere” e “specie” (ad esempio Homo Sapiens), in latino per evitare equivoci (come in barca a vela si usa uno speciale gergo) e avendo cura di evitare omonimie. La figura 2b è tratta dal frontespizio dell’edizione del 1760. Nella grafica dell’epoca, essa simboleggia l’unità dei Regna tria naturae.

.................... Fig. 2a. Carl Linneus, Systema naturae Prima edizione (1735) Immagine Wikipedia

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...................... Fig. 2b. Regna tria naturae Carl Linneus, Systema naturae, Dettaglio del frontespizio Decima edizione rivista (1760), Immagine Wikipedia

Ora sappiamo che la “varietà” che vediamo in Natura proviene dal “come” si legano tra loro “elementi di base”. Per esempio, i tipi di atomi sono solo poche decine, mentre i loro composti sono milioni. Le proprietà delle sostanze dipendono specialmente dai tipi di legame che esistono fra gli atomi, al punto che vi sono composti molto simili formati da atomi diversi (per esempio i sali di Sodio e quelli di Potassio) e composti molto diversi con stesso atomo (per esempio l'Idrogeno forma idrocarburi col Carbonio e acqua con l'ossigeno). Anche la differenziazione delle caratteristiche sulle quali è basata la classificazione degli esseri viventi viene dalle diversità nei legami, orchestrata dal genoma.

Partendo da classificazioni ispirate dalle diverse proprietà, ne sono state cercate le doppie radici nell’identificazione degli elementi di base e nella comprensione delle leggi che determinano i loro possibili legami e quindi la varietà di quello che vediamo. Seguiremo un percorso simile per gli adroni.


Nucleoni

Formiamoci un quadro degli adroni, costruendo nel contempo una loro classificazione. Iniziamo da Adamo, che è senza dubbio il protone. Essendo il protone anche il nucleo dell’atomo di Idrogeno, il suo anno di nascita coincide con quello della scoperta del nucleo atomico da parte di Ernest Rutherford, ossia il 1909.

Secondo la Chimica e Fisica Atomica , la configurazione degli elettroni atomici determina le proprietà chimiche degli elementi. Il “numero atomico” Z corrisponde al numero di elettroni e la massa, concentrata nel nucleo, è data dal “numero atomico di massa” A.

Mettiamoci ai tempi in cui il neutrone era ancora sconosciuto. Toccava ai protoni costituire la massa del nucleo e quindi il loro numero doveva essere A. Come recuperare la neutralità dell’atomo con una carica elettrica totale -Z per gli elettroni e +A per i protoni? La soluzione allora immaginabile per far quadrare il bilancio delle cariche elettriche era che il nucleo contenesse anche A-Z elettroni. La soluzione era di ripiego. Il neutrone fu scoperto da James Chadwick nel 1932, tolse la Fisica dal disagio e gli valse il Premio Nobel 1935 . Protone e neutrone hanno, in una prima approssimazione, la stessa massa e sono detti “nucleoni”. Il nucleo contiene Z protoni e N=A-Z neutroni. I nucleoni fanno parte della famiglia dei “barioni” (dal greco βαρύς, pesante), poi estesa a particelle di massa ancora maggiore. Grande o piccolo è sempre relativo: la massa dei nucleoni è circa 1,7 x 10^-27 kg ed è grande rispetto a quella dell’elettrone, che è circa 2000 volte più piccola.

……………...................................................... ……………...................................................... ……………...................................................... Fig. 3. Rappresentazione schematica dell’atomo di Elio Immagine Wikipedia - QMuniv

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...................... Pione L’esperimento di Rutherford (1909) aveva mostrato che la massa atomica è concentrata in un nucleo, di dimensioni tanto piccole da potersi considerare puntiforme rispetto alle dimensioni dell’atomo: ora sappiamo che le dimensioni del nucleo sono centomila volte più piccole di quelle su cui sono distribuiti gli elettroni atomici, come ordine di grandezza. La figura 3 mostra, ad esempio, la rappresentazione schematica dell’atomo di Elio-4. Protoni e neutroni sono rappresentati in colore diverso. Le unità di misura correntemente usate sono l’Ångström (0,1 nm = 10-10 m) e il Fermi (10-15 m). L’attrazione elettromagnetica degli elettroni con il nucleo e le leggi della Meccanica Quantistica distribuiscono gli elettroni sulle dimensioni dell’atomo. I nucleoni sono fortemente “strizzati” entro il piccolissimo nucleo, stravincendo anche sulla repulsione elettromagnetica tra protoni. Vi deve essere tra i nucleoni un’interazione di coesione nucleare molto più intensa di quella elettromagnetica. Era necessaria una nuova interazione, quella che è oggi l’ Interazione forte .

Il Premio Nobel 1949 fu assegnato a Hideki Yukawa per i seguenti fatti :

“Atomic nuclei consist of protons and neutrons, kept together by a strong force. Hideki Yukawa assumed that the force is carried by particles and further, that there is a relation between the range of the force and the mass of the force carrying particle. Yukawa predicted in 1934 that the particle should have a mass of about 200 times that of the electron. He called the particle a meson. In later experiments, the existence of mesons was verified"
(I nuclei atomici sono costituiti da protoni e neutroni, tenuti insieme da una forza forte. Hideki Yukawa ipotizzò che la forza è trasmessa da una particella e inoltre che esiste una relazione tra il suo raggio di azione e la massa della particella. Nel 1934 Yukawa predisse che la particella dovesse avere una massa di circa 200 volte quella dell'elettrone. La chiamò mesone. L'esistenza dei mesoni è stata verificata in esperimenti successivi).

Il nome “mesone” proviene dalla massa intermedia tra quella dell’elettrone e quella di protone e neutrone (barioni).

.............................. Fig. 4a. La scoperta del pione e del suo decadimento in un muone Immagine Milano – Città delle Scienze

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...................... Fig. 4b. Firme di Lattes, Occhialini e Powell in un dettaglio di figura 4a

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...................... Fig. 5. Osservatorio del Pic du Midi nei Pirenei (2900 m) Immagine Scienza giovane

Il Premio Nobel 1950 fu assegnato a Cecil Powell

"for his development of the photographic method of studying nuclear processes and his discoveries regarding mesons made with this method"
(per il suo sviluppo del metodo fotografico per lo studio dei processi nucleari e le sue scoperte in materia di mesoni fatte con questo metodo).

Questo metodo si avvale di speciali emulsioni fotografiche, dette “ nucleari ”. Esse sono basate sullo stesso principio di quelle depositate sulle normali pellicole fotografiche, ma sono tanto sensibili da vedere particelle singole elettricamente cariche e non solamente larghi fiotti di particelle di luce (“ fotoni ”). Ai giorni nostri, le emulsioni nucleari sono state utilizzate su larga scala nell’esperimento OPERA al Laboratorio del Gran Sasso . La risoluzione spaziale raggiunta è eccezionale e raggiunge un valore inferiore al millesimo di mm.

La storica figura 4a mostra il “mesone π” (detto anche “pione”), scoperto in maniera inequivocabile nel 1947 perché fotografato “sul fatto” mentre decade in un “ muone ” – particella simile all’elettrone ma con massa di poco inferiore a quella del pione. Il pione osservato è generato in interazioni di raggi cosmici con nuclei atomici nell’alta atmosfera e quindi proviene dall’alto, anche se in figura esso appare provenire dal basso. Del muone è vista la corta traccia orizzontale, che si arresta quando il muone ha consumato tutta la sua energia nel collidere con elettroni atomici ed espellerli dall’atomo (“ionizzandolo”).

....................................................................... Fig. 6. Giuseppe (Beppo) Occhialini (1907-1993) The Scientific Legacy of Beppo Occhialini (2006) Immagine CERN Courier - 2007

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...................... La "fotografia nucleare" in figura 4a è stata presa in un laboratorio d’alta montagna (figura 5) al fine di intercettare i pioni vicino al loro luogo di produzione DOC, prima che essi siano assorbiti nell’atmosfera. La figura 4b mostra un dettaglio di figura 4a con la firma dei “fotografi” César Lattes , Giuseppe (“Beppo”) Occhialini e Cecil Powell. Solo quest’ultimo ebbe il premio Nobel, non per la fondamentale scoperta ma per lo sviluppo della tecnica. La figura 6 mostra la copertina del libro su The Scientific Legacy of Beppo Occhialini , in cui si illustrano i suoi numerosi e importantissimi contributi alla Scienza. L’immagine rompe ogni stereotipo che possa albergare nella mente riguardo ai fisici. Beppo Occhialini visse con forte carisma una vita intensa da ogni punto di vista. Egli si era trasferito all’Università di São Paulo in Brasile prima della Seconda Guerra Mondiale. Con lo scoppio della guerra e con il Brasile nel campo alleato contro l’Italia, egli si isolò sui monti Iatiaia e lì visse esercitando il mestiere di guida alpina. Si reinserì in Italia a guerra finita, pienamente e con grande forza. I grandi fisici possono spaziare oltre la Fisica.

”Stranezza”

Perché si parla di quark “strano”? Nella seconda metà degli anni quaranta si scoprirono particelle con comportamento anomalo rispetto a quanto conosciuto. Erano prodotte in normali Interazioni Forti come i pioni, ma erano poi sorprenedentemente viste decadere dopo un tempo di vita molto lungo e quindi per Interazione Debole . Dovevano essere “animali diversi” e quindi “strani”, come i canguri lo furono per i primi visitatori europei dell’Australia: è strano tutto quello che esce dalle (nostre) abitudini. Per gli adroni, un tempo di vita dell’ordine di 10^-10 secondi (nel sistema di riferimento in cui la particella è a riposo, secondo la Teoria della Relatività ) era stranamente molto lungo rispetto ai soliti tempi di vita dell’ordine di 10^-23 secondi.

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La figura 7 mostra una fotografia presa in una “ camera a bolle ” e illustra il meccanismo detto di “produzione associata” di particelle strane. Il meccanismo della produzione associata implica la contemporanea produzione di una particella strana (in figura un barione neutro Λ^o ) e di una anti-strana (in figura un mesone K^o ). Ambedue sono elettricamente neutre e quindi non lasciano una traccia visibile. La stranezza è manifestata dal lungo percorso fatto nella loro vita, prima di decadere in coppie di particelle cariche “normali”.


Stranezza e Modello a quarks

La tabella in figura 8 mostra i primi elementi nella classificazione degli adroni agli inizi degli anni sessanta, quando erano considerati come “elementari”. La prima suddivisione è in "barioni" e "mesoni". Per il “Regno degli adroni” la tabella corrisponde a quello che fece Linneus per i Regna tria naturae.

Gli articoli dei gruppi Simmetrie e Dove ci porta la concezione atomistica? nel programma di Saggi tematici illustrano la potenza della Simmetria per individuare un livello strutturale più profondo. La scoperta di adroni strani offrì una larga varietà di particelle per ricercare simmetrie con ampie possibilità di verifica che esse non siano di carattere accidentale. Così nacque il “Modello a quarks”, descritto in Simmetrie: protoni, neutroni e … quarks . Esso evidenziò che gli adroni non sono particelle elementari, ma sono costituiti di “quarks”. Le particelle “strane” furono interpretate come adroni aventi un quark “strano” tra i suoi costituenti.

Da allora la classificazione degli adroni è secondaria rispetto alla ricerca completa dei loro costituenti fondamentali: i quarks. La scoperta di particelle adroniche “diverse” diventa strettamente collegata a quella di quarks “diversi”.


Adroni e Modello a quarks

La sintesi avvenuta con il Modello a quarks permette oggi di orientarci tra centinaia di adroni che sono totalmente inquadrati in un unico schema. Lo schema ha consentito di fare innumerevoli predizioni di adroni poi trovati sperimentalmente.

La distinzione tra barioni e mesoni (e il loro nome stesso) fu inizialmente affidata a un criterio di massa, come detto in relazione alla scoperta del pione. Un tale banale criterio, valido limitatamente a nucleoni e pione, iniziò a divenire inadeguato quando la scoperta di mesoni di massa maggiore associati a nuovi quarks (oltre a up e down) portò a “mischiare le carte” per quanto riguarda le masse. Il Modello a quarks chiarisce questa distinzione, come descritto in Simmetrie: protoni, neutroni e … quarks e Viaggio nei colori: quarks e gluoni : i barioni sono costituiti di tre quarks, i mesoni di un quark e un anti-quark.

...................................... Fig. 9a. Le tracce a gomito delle “new type particles” Immagine Science Open

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Fig. 9b. L’apparato sperimentale usato da K. Niu Immagine Science Open

Dopo lo “strano”, il “charm”

Sintesi teoriche di dati sperimentali (in particolare da parte di Sheldon Glashow, John Iliopoulos e Luciano Maiani nel 1970) prevedevano l’esistenza di un “quarto quark”, oltre a down, up e strano. Nel 1971, Kiyoshi Niu riferì dell’osservazione di “A possible decay in flight of a new type particle” con un semplice e geniale apparato sperimentale, costituito da emulsioni nucleari intervallate da lastre di materiale passivo. Il materiale passivo è opportunamente scelto per identificare le particelle in base alle loro modalità d’interazione e incrementare in modo pratico la massa dell’apparato in cui queste interazioni possono avere luogo. E’ la tecnica di base ora usata nel summenzionato esperimento OPERA.

La figura 9a mostra due delle nuove particelle adroniche generate per “produzione associata” (sopra definita in relazione alle particelle strane) in interazioni di raggi cosmici nell’apparato sperimentale. Le due particelle sono indicate con B e C e mostrano “gomiti di decadimento” come quello del pione in figura 4a. Nella proiezione a destra uno dei due gomiti non è visibile perché i due segmenti appaiono allineati. La figura 9b mostra l’apparato sperimentale, del peso di circa 50 kg, esposto a raggi cosmici ad alta quota in un aereo jet per trasporto merci.

Il nuovo quark associato alla nuova particella adronica osservata divenne celebre nel 1974 con il nome di “charm”, quando particelle che lo contenevano furono osservate in modo chiarissimo e in grande abbondanza in esperimenti con acceleratori di particelle a Brookhaven, Stanford (ove furono dettagliatamente studiate) e poco dopo Frascati. Burton Richter e Samuel Ting furono insigniti del Premio Nobel 1976

"for their pioneering work in the discovery of a heavy elementary particle of a new kind"
(per il loro lavoro pionieristico nella scoperta di una particella elementare pesante di un nuovo tipo).

................................................................................ ................................................................................ Fig. 10. Quarks, leptoni, mediatori e bosone di Higgs nel Modello Standard Immagine [Fermilab today

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...................... Quarks oggi Con la scoperta del quark “ bottom ” nel 1977 e del quark “ top ” nel 1995 la “borsa della spesa” per i quarks è riempita. Il numero totale di quarks appare bloccato a sei, come discusso in Dalla Fisica Nucleare al bosone di Higgs . La figura 10 mostra la “bella semplicità” strutturale della attuale visione delle particelle elementari secondo il loro Modello Standard . Il futuro è un punto interrogativo. Frontiere e metodologie del poi offre spunti di riflessione sulle strade verso di esso. Da Linneus a Fermi “Young man, if I could remember the names of these particles, I would have been a botanist", disse Enrico Fermi al giovane Leon Lederman , secondo quanto egli riferisce nel capitolo The invisible soccer ball del libro The God Particle: If the Universe is the Answer, what is the Question? (1993).

Non è necessario immagazzinare i nomi degli adroni negli invisibili cassetti della mente, non sempre pronti a farsi trovare e aprire. Basta ricordare sei quarks e conoscere le “regole del gioco” per costruire concettualmente “a tavolino” gli adroni. I concetti restano impressi nella mente e sono una base per costruire. Le nozioni mnemoniche evaporano.


Collegamenti

The particle adventure (anche in italiano )
Contemporary Physics Education Project (CPEP)



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