E se la materia oscura non esistesse? – Parte prima.

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Gran parte dei fisici non crede a questa ipotesi tanto sono presi a scoprire di cosa è fatta, convinti che prima o poi ci riusciranno.
Il motivo è molto semplice. Sono in corso esperimenti di diverso genere in ogni parte del mondo sostenuti da ingenti sovvenzionamenti.
Allora com’è la situazione?

Diciamolo subito: nessuno ha la più pallida idea di cosa sia la materia oscura e di cosa è fatta. La sua presenza “sarebbe” testimoniata dai suoi effetti sulle galassie. E’ come se qualcosa avvolgesse le galassie e con la sua azione gravitazionale modificherebbe la velocità di rotazione delle stelle che ruotano nei bracci periferici.

Scoperta della materia oscura.
Negli anni trenta l’astronomo svizzero Fritz Zwicky osservò che alcune galassie di un ammasso composto da circa 1000 galassie orbitavano a velocità sorprendentemente elevata attorno al loro comune centro di massa. Zwicky pose rimedio ai conti che non tornavano ipotizzando l’esistenza di un nuovo tipo di materia: la materia oscura. Una materia che non si vede ma che esercita una forza di attrazione tale da impedire alle stelle di andarsene per la loro strada.
Questa massa è stata chiamata materia oscura: “oscura” perché, belle ipotesi a parte, non se ne sa proprio nulla.

Le velocità delle stelle lontane dal centro di una galassia rimanevano circa uguali a quelle più vicine al centro, mentre ci si aspettava che fossero più lente, a causa della minore attrazione gravitazionale alla periferia della galassia. La massa visibile da sola non era sufficiente a spiegare le osservazioni.
Da allora si sono accumulate ulteriori prove del fatto che c’è qualcosa che ignoriamo. La sola materia ordinaria non può spiegare quello che vediamo.
La soluzione più semplice, e probabilmente quella più popolare tra i fisici, era quella nel postulare che l’alone che circonda la galassia sia popolato di particelle elementari, elettricamente neutre, stabili e massive sin qui non ancora osservate. Il fatto che tali particelle siano neutre spiega la ragione per cui risultino invisibili, non potendo emettere radiazione elettromagnetica di nessun genere. Il fatto che siano massive è necessario per spiegarne gli effetti gravitazionali.

Ipotesi sulla materia oscura.
I teorici hanno ipotizzato che nel cosmo debbano esistere particelle nascoste di qualche tipo. Particelle invisibili con una massa complessiva di gran lunga più grande rispetto a quella della materia visibile. Particelle invisibili che non interagiscono con la materia ordinaria se non solo attraverso la forza di gravità. Non assorbe nello spettro elettromagnetico. Non emette nello spettro elettromagnetico. Non riflette. Non interagisce con lo spettro elettromagnetico, che è ciò che utilizziamo per rilevare le cose. Non interagisce in alcun modo. Di sicuro è una particella – dicono i fisici teorici – ignota, invisibile, ma pur sempre una particella.

Questa convinzione trenta anni fa era giustificata. L’idea di una materia oscura fatta di particelle faceva presa perché a quell’epoca i fisici avevano altre ragioni per credere nell’esistenza di nuove particelle. Intorno agli anni cinquanta e sessanta ci si era resi conto che protoni, neutroni ed elettroni che compongono gli atomi non erano le uniche particelle esistenti.
Nei decenni successivi gli acceleratori di particelle iniziarono a produrre a tutto spiano nuove particelle, che diedero forma al modello standard della fisica delle particelle e aprirono la mente dei teorici al fatto che ne esistessero ancora altre. Per esempio, i tentativi di unificare le forze fondamentali della natura in un’unica forza richiedevano di teorizzare un insieme di nuove particelle, e il concetto di supersimmetria, sviluppato negli anni settanta, prevedeva una particella speculare per ogni particella conosciuta nell’universo.

Materia oscura calda e materia oscura fredda.
Per cercare l’origine di questa particella gli scienziati si sono tuffati negli istanti successivi al Big Bang da dove hanno avuto origine tutte le particelle.
Negli istanti immediatamente successivi al Big Bang l’universo ha attraversato due fasi di rapida espansioni: una calda ed una fredda che avrebbe generato materia oscura calda e materia oscura fredda.

La materia oscura calda è una forma di materia oscura composta da particelle che viaggiano a velocità relativistiche. Il candidato principale per la materia oscura calda è il neutrino. Alcuni anni fa si pensava che i neutrini potessero essere ritenuti responsabili per la materia oscura, ma con l’attuale conoscenza della loro massa e della loro velocità possono contribuire solo per una frazione insignificante.

La materia oscura fredda è l’ipotetica materia oscura formata da particelle “lente” e quindi “fredde”.
Furono candidate tre tipi di particelle.
Le Wimps, particelle che non interagiscono con la materia circostante ma che hanno una massa considerevole. Attualmente non si conoscono particelle che rispondono a tali requisiti. Il loro studio ha richiesto l’uso degli acceleratori di particelle che finora hanno dato esiti negativi.
I Machos oggetti massicci e compatti che possono essere oggetti condensati come i buchi neri, le stelle di neutroni e le nane bianche, oppure stelle molto deboli o oggetti non luminosi come pianeti. La loro ricerca consiste nel ricercare l’effetto di lente gravitazionale che questi oggetti produrrebbero.
Gli Assioni, inventati per spiegare il valore molto piccolo di un parametro del modello standard.

I risultati
Dalla metà degli anni ottanta decine di progetti hanno cercato le rare interazioni previste tra particelle di materia oscura e materia ordinaria.
In questi esperimenti si collocano grandi serbatoi di gas nobili liquefatti o di solidi preparati opportunamente, mantenuti a temperature bassissime, in ambienti ben schermati, come miniere sotterranee, per evitare la contaminazione da parte delle radiazioni cosmiche. Rivelatori sensibili attendono pazienti i segni distintivi di una particella di materia oscura che rimbalza su un nucleo atomico nel bersaglio liquido o solido.
L’ultima tornata di ricerche sulla materia oscura si è appena conclusa. I sensibilissimi esperimenti Large Underground Xenon (LUX), in South Dakota, e Particle and Astrophysical Xenon Detector (PandaX-II), nella provincia del Sichuan, in Cina, come tutti gli altri tentativi di rilevamento della materia oscura prima di loro, hanno riferito di non aver trovato prove delle particelle che potrebbero costituire la materia oscura.
Anche i primi risultati di XENON1T ai Laboratori nazionali del Gran Sasso dell’Istituto nazionale di fisica nucleare sono stati negativi.
In Giappone, Super-Kamiokande non ha osservato alcun segnale di decadimento di protoni, che costituirebbe una prova a favore dell’unificazione delle forze fondamentali e darebbe credibilità all’idea che debbano esistere queste particelle invisibili. Parallelamente, gli scienziati del Large Hadron Collider (LHC) al CERN di Ginevra hanno cercato nuove particelle con le giuste proprietà per la materia oscura e non ne hanno visto traccia. Oltre al previsto bosone di Higgs, LHC non ha osservato nuove particelle.

Un duro colpo per i “cacciatori” di particelle oscure.
Naturalmente questi risultati negativi non escludono la materia oscura. Le teorie sulla materia oscura particellare sono diventate sempre più sofisticate, per non dire forzate, qualche volta assurde.

Per eludere il conflitto con l’assenza di risultati sperimentali, i teorici ora ipotizzano che queste particelle interagiscano con la materia ordinaria ancora meno di quanto si pensasse inizialmente. Alcuni ricercatori hanno iniziato a ipotizzare ulteriori forze e altre specie di particelle da aggiungere alle nuove particelle originali. Questa proliferazione di particelle invisibili è diventata così comune nella letteratura che le è stato dato un nome collettivo: il «settore nascosto».

È sempre più chiaro che alcuni vecchi problemi del paradigma della materia oscura sopravvivono ancora oggi dopo i numerosi tentativi di risolverli.

Nel frattempo l’idea che la materia oscura sia costituita da particelle ha ricevuto una spallata anche da una direzione completamente diversa. Nuovi dati astrofisici registrati e analizzati sono in conflitto con le previsioni sulla materia oscura composta da particelle.

Dopo trent’anni di tentativi falliti di rilevare questa particella, non è più ragionevole ignorare ipotesi alternative.

……. segue.

(Le Scienze. Numero 604 dicembre 2018)

 

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Assioni

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Quando non rimane altra spiegazione, dev’essere una cosa oscura.

Materia oscura

Con materia oscura si intende solitamente “qualcosa” che produce effetti gravitazionali, pur risultando (finora) completamente non rilevabile. Questi effetti si notano bene nelle galassie che, se fossero costituite solo da materia ordinaria, dovrebbero ruotare in maniera diversa.

Si pensa che la materia oscura sia composta da particelle che non assorbono, non emettono e non riflettono la radiazione, e che quindi non possono essere rivelate studiando la radiazione elettromagnetica. E’ per questo motivo che è chiamata “oscura”.
Si pensa inoltre l’esistenza di una materia oscura che possa interagire con la materia visibile anche in maniera non gravitazionale.

Finora, la materia oscura si è rivelata solo per la sua gravità, quindi uno dei più grandi misteri della fisica è identificare quali siano le particelle che la compongono.
Malgrado la materia oscura rappresenti la componente di materia dominante nell’Universo, e nonostante questo i fisici non sono ancora riusciti a trovare una particella in grado di spiegare il suo comportamento.

Tra le tante particelle candidate ci sono alcune ipotetiche particelle cosiddette “fredde”. Tra queste c’è “l’assione”, senza carica e con massa miliardi di volte inferiore a quella dell’elettrone, teorizzata per compensare certi aspetti legati alla cromodinamica quantistica, la moderna teoria dell’interazione nucleare forte, ovvero la forza che lega le particelle chiamate quark. Gli assioni stanno diventando una delle alternative possibili alle ricerche in questo campo.

Domanda: da dove spuntano fuori gli assioni.
La materia è complessa ma vediamo se riusciamo a capirci qualcosa.

Assioni e supersimmetria

Gli assioni sono stati inventati più di 40 anni fa per giustificare una particolarità delle particelle chiamata “supersimmetria” che possiamo definire come “uguaglianza delle cose”.

La supersimmetria ipotizza che a ogni particella conosciuta corrisponde una superpartner nascosta

supersimmetria.jpg

In breve, ogni particella subatomica nota formata da (E) elettroni, (P) protoni, (G) gravitoni, dovrebbe essere accompagnata da una corrispondente particella più pesante, detta (“S”) particella che però nessuno ha mai visto.

E’ simmetrico per esempio un vaso che ruota attorno al proprio asse verticale, ma non lo è rispetto ad un asse orizzontale. In fisica delle particelle sono state individuate diverse simmetrie: rispetto alle trasformazioni di carica (“C”), la parità o trasformate temporali (“P”) e le trasformate temporale (abbreviata con “T”).
I fisici dicono che se l’universo fosse simmetrico, non dovrebbe esistere perché le particelle simmetriche dovrebbero annullarsi. Allora perché esistiamo?

La chiave si chiama rottura spontanea di simmetria.
Nel 1977 fu postulata una nuova possibile simmetria per risolvere questo problema aggiungendo nel Modello Standard chiamata ’simmetria di Peccei-Quinn’ che viene spontaneamente violata. In seguito si fece notare come la nuova simmetria introdotta implicava l’esistenza di una nuova particella, che chiamarono assione.
In poche parole, questa particella sarebbe l’artefice di un nuovo meccanismo, nel senso del “meccanismo di Higgs”, in grado di spiegare la quantità di materia oscura che registriamo oggi nel cosmo.

L’apparente distinzione tra destra e sinistra (simmetria P) non sarebbe stata dunque altro che il riflesso di un’asimmetria tra materia e antimateria (distinte dai segni delle cariche): ciò che è “destra” per la materia sarebbe “sinistra” per l’antimateria e viceversa.

Materia oscura calda e fredda

Negli istanti immediatamente successivi al Big Bang l’universo ha attraversato due fasi di rapida espansioni: una calda ed una fredda che avrebbe generato materia oscura calda e materia oscura fredda.

La materia oscura calda è una forma di materia oscura composta da particelle che viaggiano a velocità relativistiche. Il candidato principale per la materia oscura calda è il neutrino. Alcuni anni fa si pensava che i neutrini potessero essere ritenuti responsabili per la materia oscura, ma con l’attuale conoscenza della loro massa e della loro velocità possono contribuire solo per una frazione insignificante.

La materia oscura fredda (nota come CDM – Cold Dark Matter) è l’ipotetica forma di materia oscura formata da particelle “lente” e quindi “fredde”. Nella CDM la struttura della materia cresce gerarchicamente con piccoli oggetti che collassano per primi accumulandosi progressivamente per comporre via via oggetti sempre più massicci.

La CDM non prevede esattamente quali siano le particelle che la compongono. Le candidate sono tre tipologie di particelle:

  • WIMPs – o Weakly Interacting Massive Particles (particelle massicce a debole interazione) che non interagiscono con la materia circostante ma che hanno una massa considerevole. Attualmente non si conoscono particelle che rispondono a tali requisiti e il loro studio richiede l’uso degli acceleratori di particelle che finora hanno dato esiti negativi.
  • MACHOs – o Massive Compact Halo Objects (oggetti massicci e compatti dell’alone galattico) che possono essere oggetti condensati come i buchi neri, le stelle di neutroni e le nane bianche, oppure stelle molto deboli o oggetti non luminosi come pianeti. La loro ricerca consiste nel ricercare l’effetto di lente gravitazionale che questi oggetti produrrebbero.
  • Assioni


Assioni e ricerca

Ed eccoci arrivati alla origine della giustificazione degli assioni.
Secondo queste previsioni teoriche, l’assione non ha carica elettrica, ha massa molto piccola, compresa tra 10−6 e 10−2 eV/c2, non ha spin, ed interagisce con la materia ordinaria (elettroni, protoni, ecc…) solo molto debolmente, ragione per cui è considerato una particella praticamente invisibile.

Gli assioni stanno diventando una delle alternative possibili alle ricerche in questo campo, e la loro esistenza risolverebbe anche altre lacune nel modello standard della fisica delle particelle.

L’unico problema, comune a tutti i candidati per la materia oscura, è che gli assioni dovrebbero interagire molto raramente con la materia ordinaria, e quindi risultano difficili da rilevare.

L’Axion Dark Matter Experiment  (ADMX) è il primo esperimento al mondo ad aver raggiunto la sensibilità necessaria a “sentire” la presenza di assioni.

Un accorgimento importante è quello di minimizzare il rumore dovuto al calore mantenendo l’apparato a temperature molto basse, circa 0.1 gradi Kelvin (-273 gradi Celsius).  Il team ADMX ha in programma di sintonizzarsi su milioni di frequenze, nella speranza di sentire forte e chiaro il segnale prodotto dai fotoni generati dal decadimento di assioni.
Impresa ardua e finora infruttuosa. Allo stato attuale non c’è alcuna prova della esistenza degli assioni.

I risultati non escludono definitivamente l’esistenza degli assioni, ma l’ambito in cui queste particelle potrebbero esistere ora è decisamente limitato.
Diciamo che è un invito per i fisici a tornare alla lavagna e sviluppare qualche nuova teoria per la caccia alla materia oscura.

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I quark sono veramente i mattoni ultimi della materia?

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Le particelle note fino agli anni 50
Le particelle note fino agli anni 60
Oltre i quark
Future Circular Collider (FCC)

In una famosa trasmissione di successo Piero Angela aveva definito i quark i mattoni della vita.
E’ passato qualche anno da allora, ora conosciamo meglio la “vita” dei quark, ma non tutto è chiaro. I quark sono veramente i mattoni della materia? Gli ultimi elementi della materia? Sono indivisibili?

Ed ecco, allora, un’altra bella domanda: cosa significa indivisibile. E cosa si intende per particelle fondamentali per la fisica? I quark sono particelle fondamentali?

Per dare risposta a tutte queste domande dobbiamo fare un passo indietro, forse due.
Per particella elementare (fondamentale), convenzionalmente, si intende un oggetto privo di struttura interna, cioè non composta da altre particelle più piccole.
L’elettrone è una particella elementare e considerata in fisica come punto materiale e pertanto indivisibile.


Le particelle note fino al 1950

Fino a poco più di 100 anni fa grandi scienziati dubitavano apertamente dell’esistenza reale degli atomi: un concetto utile teoricamente, per fare calcoli, ma che forse ha poco a che fare con la realtà – dicevano.

Con il tempo si è scoperto che gli atomi esistono e rappresentano anche la spiegazione dell’ esistenza degli elementi. Eppure anche l’atomo doveva dopo poco abbandonare lo scettro di particella ultima: quando gli esperimenti di Ernest Rutherford dimostrarono attraverso il bombardamento di una sottile lamina di metallo con radiazioni alfa che in realtà gli atomi stessi consistono in un gran vuoto, con una “pallina dura” al centro (il nucleo) che racchiudeva quasi tutta la massa dell’atomo e alcuni elettroni rotanti intorno ad esso a grande distanza.

L’interno di questa pallina era composto di un certo numero di altre particelle in numero e di carica positiva opposta agli elettroni tenuti assieme da una interazione forte sconosciuta che li teneva uniti a contrastare la tendenza ad allontanarsi tra loro a causa della forza repulsiva della carica dello stesso segno.

Tuttavia tutta la massa dei protoni non giustificava la massa totale del nucleo. A questo punto, si giunse alla conclusione che il nucleo atomico è, in realtà, costituito da protoni separati da un numero all’incirca uguale di altre particelle di carica nulla chiamati neutroni.

A solo titolo informativo bisogna dire che il neutrone ha una massa maggiore, anche se di poco, a quella del protone. Per questo motivo esso è instabile, cioè tende a decadere in altre particelle più stabili secondo la relazione:

neutrone


Dove p=protone; e=elettrone; ν=neutrino.

A queste poi si giunsero altre particelle dall’osservazione dei raggi cosmici il positrone, muone, pione, kaone. Tutte particelle che sono scorie prodotte da scontri con atomi nella nostra atmosfera che hanno poco a che fare con le particelle fondamentali.


Proliferazione degli anni 60.

Con la scoperta dei protoni e neutroni poteva sembrare di essere arrivati ad una soluzione soddisfacente sulla conoscenza della materia. Oltre non si poteva andare con i mezzi di quei tempi. Era come voler aprire un cocco con uno schiaccia noci. In prativa per andare oltre serviva molta energia per “spaccare” i componenti fondamentali dell’atomo.

Con lo sviluppo degli acceleratori di particelle nella prima metà del XX secolo, i fisici iniziarono ad approfondire le proprietà delle particelle subatomiche.
Le proprietà di corpuscolo elementare puntiforme dell’elettrone hanno reso questa particella una sonda perfetta per esplorare la struttura dei nuclei atomici.

Fu l’inizio dell’era degli acceleratori di particelle che cominciò a sfornare uno zoo di nuovi minuscoli protagonisti, particelle strane, alcune effimere altre meno. Particelle che nascevano dal nulla e scomparivano rapidamente nel nulla. Solo agli inizi degli anni Sessanta ne erano state etichettate circa cento.
Troppe per essere particelle elementari.

E proprio nel tentativo di “mettere ordine” in quello strano zoo, Murray Gell-Mann scoprì che le particelle soggette alle interazioni forti (tra cui appunto i protoni e i neutroni) potevano essere formate da particelle più piccole.

L’interno del protone fu scrutato con sonde opportune ricavando indizi indiretti della presenza di altre particelle studiando il modo in cui le sonde rimbalzavano.
Gli elettroni erano le sonde perfette, prive di struttura interna, penetranti e non soggetti alla interazione forte. Gli elettroni venivano così sparati da un acceleratore contro i protoni.
La distribuzione degli elettroni dopo gli urti era incompatibile con l’ipotesi che l’urto fosse avvenuto con tutto il protone considerato un corpo rigido.

Questo poteva essere inteso solo assumendo che gli elettroni urtassero elasticamente contro qualcosa di puntiforme e rigido all’interno del protone.

protone

Era il 1964 quando i fisici statunitensi Murray Gell-Mann e George Zweig ipotizzarono la esistenza di particelle elementari di cui erano fatti i neutroni e protoni, chiamate “quark”.
Non è stato facile trovarli perché i quark non si trovano liberi in natura ma aggregati tra loro a gruppi di tre e tenuti assieme (legati) da un mediatore di forza, il gluone.

quark

I primi due quark scoperti furono il quark up e quark down provvisti di carica frazionata rispetto all’elettrone. Poi arrivarono i quark charm e strange e successivamente i quark top e botton di massa crescente che decadono rapidamente. Anche loro provvisti di carica. Ed infine gli anti quark e una serie di particelle esotiche, tetraquark, pentaquark.
I quark pesanti furono scoperti dopo molti anni di ricerche infruttuose in collisioni protone-antiprotone ad altissime energie presso l’acceleratore del Fermilab (Chicago).
Per il loro modo di raggrupparsi e soggetti alla forza forte furono chiamati “adroni”.

A loro volta gli adroni sono chiamati “barioni” se formati da 3 quark e “mesoni” se formati da quark e antiquark,

protone_neutrone

Fin qui tutto chiaro?
Beh, c’è una ultima cosa da dire:
Il protone ha carica +1 la risultante di due up e un down (+2/3 + 2/3 -1/3 = +1) che conferisce carica positiva al protone.
Il neutrone è formato da due down e un up (-1/3 -1/3 + 2/3 = 0) che conferisce un carica nulla al neutrone, per l’appunto.

La massa del protone quindi risulta:

massaprotone

Ora se guardiamo la massa dell’elettrone pari a 0,5 MeV/c2 e la confrontiamo con quella del quark up (da 1 a 5 MeV/c2) può venire il sospetto che nel mezzo ci possano essere altre particelle che attribuiscono la carica ai quark. Il dubbio è forte e intrigante per gli scienziati.


Oltre i quark

Su questo bailamme di particelle è stato edificato quel sistema teorico definito “modello standard” che è riuscito a spiegare con precisione straordinaria gran parte dei fenomeni del mondo fisico. Un bell’edificio, quindi, sulle spalle dei piccoli quark.
Ma…..

Ma non sembra che la scienza abbia messo la parola fine alla ricerca del mattone fondamentale della materia. Disponendo di energie sempre più elevate sono stati rilevati nuovi detriti nelle collisioni a distanze più piccole di quelle ottenute finora. E’ stato constatato che i getti di detriti sono del 40-50 per cento superiori alle previsioni del modello. Questo potrebbe indicare che in effetti c’è una struttura sottostante ai quark. In questo caso saremmo davanti alla necessità di una revisione di certe nostre idee sulla natura.

Ma potrebbe anche significare che c’ erano errori nei calcoli teorici alla base delle previsioni, o anche la presenza di una particella nuova, un ‘bosone’ (come quelli scoperti da Rubbia al Cern) che trasporta un campo di forza. Insomma, fare previsioni è prematuro.
La comunità scientifica ha una solida tradizione di prudenza davanti a risultati che sembrano rimettere in discussione teorie acquisite.

Ma è inutile nascondere che in realtà c’ è una notevole eccitazione tra i fisici delle alte energie, sia teorici che sperimentali. Perché se in effetti i quark hanno una “struttura segreta” e la particella ultima sfugge ancora di mano, vuol dire che la caccia ai mattoni del mondo si riapre, una prospettiva che in realtà è il sogno di ogni fisico che si rispetti.

Ma come?

Future Circular Collider (FCC)

Nei prossimi due anni, la comunità della fisica delle particelle aggiornerà la strategia europea per la fisica delle particelle, delineando il futuro della disciplina oltre l’orizzonte del del Large Hadron Collider (LHC).
E il futuro si chiama Future Circular Collider (FCC) un acceleratore di nuova generazione che farà impallidire l’LHC.
Lungo 100 km (rispetto ai 27 di LHC) potrebbe raggiungere 100.000 miliardi di elettronvolt (100 TeV, contro i 14 TeV di LHC).

Grazie a queste caratteristiche sarebbe quindi in grado di fornire collisioni tra protoni, tra ioni e tra elettroni e positroni a intensità ed energie senza precedenti, paventando anche la possibilità di collisioni tra elettroni e protoni e tra elettroni e ioni, permettendo ai fisici di studiare nuovi scenari. E sarà in grado di espandere significativamente la nostra conoscenza della materia e dell’universo.

E Piero Angela sarebbe costretto a fare un nuova puntata di aggiornamento sui quark.


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Orbitali, modello atomico probabilistico

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Tempo fa, un amico (ingegnere) mi chiese se ero ancora in grado di spiegare a sua figlia (universitaria) gli orbitali e i numeri quantici.
E’ stata l’occasione di un ripasso dei vecchi libri universitari.

Menù.
 
Stati stazionari
Orbitali
Numero quantico (n)
Numero quantico (l)
Tipi di orbitali
Cenni sulla teoria ondulatoria dell’atomo
Numero quantico (m)
Numero quantico (ms) spin
Forma degli orbitali
Scrittura dell’atomo


Stati stazionari

Al liceo ci avevano spiegato che gli elettroni giravano come trottole attorno al nucleo in una orbita che possiamo immaginare come un sistema planetario dove i pianeti girano attorno al Sole.

Era il modello atomico di Rutherford. Un modello “planetario” o a gusci concentrici. Poi arriviamo alla università e scopriamo che gli elettroni non si muovono attorno a orbite fisse come un treno lungo i binari, ma si allontanano e si avvicinano al nucleo ad una velocità prossima a quella della luce.

Questo determinava il fatto che era praticamente impossibile determinare contemporaneamente la loro posizione e la loro velocità (principio di indeterminazione di Heisenberg). Questi stati furono chiamati stati stazionari.

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Orbitali

Fu N. Bohr nel 1913 a fornire quelle basi teoriche che mancavano che hanno costituito il punto di partenza per un  vertiginoso progresso scientifico degli ultimo cinquanta anni.

Partendo dall’ammissione che nell’atomo gli elettroni non irradiano necessariamente energia, ipotizzò che, in contrasto con le teoria elettromagnetica classica, esistessero alcuni stati, tra gli infiniti possibili, nel quale l’elettrone potesse muoversi senza emettere energia conservando costante la propria energia totale (cinetica + potenziale).

Ma scopriamo dell’altro. Di ogni elettrone possiamo definire lo spazio o la nuvola tridimensionale attorno al nucleo all’interno della quale abbiamo una elevata probabilità di trovare l’elettrone. E’ come se l’elettrone fosse “confinato” all’interno di una nube di dimensioni, forma e orientamento spaziale definito matematicamente chiamato “orbitale”.

L’orbitale è quindi quella porzione di spazio tridimensionale disposta attorno la nucleo, all’interno della quale abbiamo un’alta probabilità di trovare l’elettrone.

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Numero quantico (n)

Il valore (modulo) del momento angolare di un corpo di massa “m” che ruota lungo una circonferenza con raggio “r” con velocità “v” è dato dal prodotto “mvr”, ovvero del prodotto della quantità di moto “mv” per il raggio “r”.

Bohr ipotizzo che la condizione perché un elettrone muovendosi su una orbita non emetta energia è che il valore del momento angolare dell’elettrone che percorre l’orbita ha un valore ben definito e sia multiplo di un grandezza intera finita. Questa condizione implica che il momento angolare dell’elettrone non può assumere tutti i valori possibili, ma soltanto alcuni.

Questa limitazione significa quantizzate il momento angolare. Questo può variare solo per “quanti” multipli interi di un valore minimo: h/2π (dove h è la costante di Plank).
Pertanto secondo Bohr la quantizzazione assume questi valori:

mvr = n h/π         per n= 1, 2, 3 …..

Ora affinché l’elettrone (negativo) resti in equilibrio sulla sua orbita la forza coulombiana che lo attrae verso il nucleo (positivo) deve essere uguale alla forza di inerzia diretta verso il raggio e volta verso l’esterno che tende ad allontanarsi da esso.
equilibrio elettrone
Siccome
raggi2

Si ricava facilmente
raggioelettrone
La espressione nella quale non compare più la velocità dell’elettrone indica che anche i raggi delle orbite sono quantizzati e assumono solo valori “discreti” in funzione di “n” che viene chiamato numero quantico principale.

L’unico elettrone dell’atomo dell’idrogeno quindi può assumere solo i seguenti valori.

quantizzazione raggio

Il numero quantico principale (n) è quindi associato alla dimensione dell’ orbitale, al crescere di (n) aumenta la distanza dell’elettrone dal nucleo e il suo livello di energia. In teoria (n) può assumere valori interi positivi da 1 all’infinito, ma di fatto, quando un atomo è nel suo stato fondamentale, il numero di (n) può arrivare fino a 7.

Uguale ragionamento si può fare sulla energia potenziale (V=-e2/r) e energia cinetica (T=mv2/r).

Per V=T , equilibrio delle energie, si ottiene:
energia elettrone
Che esprime la quantizzazione dell’energia dell’elettrone dell’atomo di idrogeno.

Di conseguenza se si vuole eccitare un elettrone per farlo saltare alla sua orbita superiore n=2, la espressione ci dice di quanta energia abbiamo bisogno, che come si vede è quantizzata per pacchetti finiti a seconda il livello.

L’elettrone eccitato tende poi a tornare spontaneamente allo stato di minore energia n=1 rimettendo sotto forma di radiazione la energia assorbita per l’eccitazione.

A questo va aggiunto che ad una radiazione di frequenza “ν” è associato un quanto di energia “ε” (ε = hν).

Per fornire all’elettrone energia radiante è necessario fornirsi di una radiazione con una frequenza opportuna.

energia elettrone quantizzato

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Numero quantico (l)

La teoria di Bohr si dimostro presto insufficiente a spiegare il comportamento di atomi più complessi dell’idrogeno contenenti più di un elettrone. Gli spettri di questi atomi mostravano raggruppamenti di righe ravvicinate tra loro non interpretabili con la teoria di Bohr.

La spiegazione fu trovata da A. Sommerfeld il quale nel 1915 applicò agli elettroni degli atomi le leggi di Keplero. Ipotizzo che nell’atomo gli elettroni percorressero orbite ellittiche di cui il nucleo occupi uni dei fuochi. Fu necessario un ulteriore numero quantico per la quantizzazione della eccentricità (e quindi della forma) dell’ellisse che l’elettrone può percorrere nei suoi stati stazionari.

Sommerfeld mostrò che i numeri quantici (n) e (l) non possono assumere valori a piacere, ma solo alcuni valori dipendenti tra loro.

Per ogni valore di (n), (l) può assumere valori compresi da 0 a (n-1).

n = 1, 2, 3, 4 …..
l = 0, 1, 2, 3 …….

Questo significa che per un elettrone sul livello n=2, (l) può assumere l=0, l=1.
A questi valori di numeri quantici corrispondono due orbite:
n=2; l=0
n=2; l=1

differenti per la forma dell’orbita ed anche per la energia: E20, E21.

Secondo la  teoria di Bohr sullo stato quantico n=2 l’elettrone avrebbe posseduto solo il livello di energia E2.

righe spettrali

Nella figura a) Unica riga spettrale di frequenza ν secondo Bohr.
Nella figura b) Due righe spettrali secondo Sommerfeld.

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I diversi tipi di orbitali.

I diversi tipi di orbitali vengono designati usando un numero ed una lettera.

l=0         vengono usati la lettera s (sharp)
l=1          vengono usati la lettera p (principal)
l=2          vengono usati la lettera d (diffuse)
l=3          vengono usati la lettera f (fundamental)

Resta da definire la forma degli orbitali.
Per la spiegazione si fa ancora ricorso al tipo di orbita ellittica con semiassi (a) e (b) per cui è ancora valida la relazione:
a/b=(l + 1)/n
dove (l) è per l’appunto la eccentricità.

Facciamo degli esempi.
Es: 1
Per n=1; l=0 ; orbitale (s)
a/b=(0+1)/1=1 semiassi coincidenti, l’orbita (s) è circolare.

Es: 2
Per n=3; l=0 orbitale (s), l=1 orbitale (p); l=2 orbitale (d).
Si ha:

  • n=3; l=0 a/b=(0+1)/3 = 0,33
  • n=3; l=1 a/b=(1+1)/3 = 0,66
  • n=3; l= 2 a/b=(2+1)/3 = 1

orbitali1
Nella tabella sono mostrati i valori che assume il numero quantico (l) in riferimento dei primo 4 valori id (n)
tabella1

Con n=5 si dovrebbero avere 5 diversi tipi di orbitali, in realtà sono presenti gli stessi orbitali del livello 4 (s, p, d, f).
Con n=6 sono presenti solo gli orbitali s, p, d.
Con n=7 si hanno solo gli orbitali s e p

livelli

indietro2

Teoria ondulatoria dell’atomo

Successivamente alla teoria quantistica si Bohr fu sviluppata una nuova teoria sulla struttura dell’atomo, nata dalla geniale intuizione di De Broglie della natura ondulatoria dell’elettrone.

L’argomento è assai complesso. Mi limito a dire che De Broglie estese l’assunto di Einstein relativo al fotone dimostrando che ad ogni corpuscolo di massa (m) in moto con velocità (v) è associata un radiazione di lunghezza d’onda data dalla relazione:

lunghezzaonda

Successivamente O. Stern dimostrò che il concetto di onda associata era valida per ogni forma di materia. Il concetto è estremamente importante. Estendendo il concetto di onda associata all’elettrone-onda associata, possiamo considerare quest’ultima come una onda di probabilità.

L’elettrone descritto come entità ben definita dalla teoria quantistica classica perde la sua individualità nelle teoria ondulatoria nella quale viene delocalizzato in una onda di probabilità.

Con l’introduzione di questi nuovi concetti, il generico elettrone di un atomo, ad esempio l’univo elettrone dell’idrogeno, non è più una particella che ruota attorno al nucleo in un orbita ben localizzata, ma viene considerata come elettricità delocalizzata in una onda.

L’onda associata all’elettrone che si muove circolarmente attorno al nucleo è una onda comprendente un numero intero (n) di lunghezza d’onda (ʎ).

Indicando con (r) la distanza media fra il nucleo e il treno d’onde si può scrivere:
2πr=nʎ
dove ʎ=h/mv.
Si ricava
r=n(h/mv)/2π
che esprime anche la condizione di quantizzazione nella teoria di Bohr.

Questa circostanza rappresenta il primo punto di contatto tra teoria ondulatoria e teoria quantistica.
Nei fenomeni ondulatori di qualsiasi natura è fondamentale la conoscenza dell’equazione dell’onda che descrive l’ampiezza dell’onda stessa in funzione del tempo e della distanza da un punto stabilito come origine dell’onda.

Tale equazione è stata introdotta nel 1926 da E. Schrodinger e descrive la probabilità di trovare una particelle (elettrone ) in un determinato spazio.

In meccanica classica un’onda stazionaria (non dipendente dal tempo) che si sviluppa secondo l’asse x è descritta dalla equazione:
funzionedonda
Con ʎ=lunghezza dell’onda stazionaria, A=ampiezza massima dell’onda.

Chiamiamo f(x)=ψ(x) funzione d’onda dell’onda stazionaria.
funzionedondastazionaria

Indicando con ψ(xyz) la funzione d’onda, ovvero l’ampiezza lungo i tre assi dell’onda stazionaria associata all’elettrone la equazione di Schrodinger viene generalmente rappresentata così:

equazione1

Dove  T=mv2/2 è l’energia cinetica dell’elettrone e V la energia potenziale, l’energia totale E=V+T, da cui T=E-V

Che usualmente si scrive
equazione2
Dove il simbolo operatorelaplaciano(operatore laplaciano) sta ad indicare la somma delle derivate parziali seconde della funzione rispetto alle coordinata cartesiane x,y,z.

Queste funzioni d’onda ψ(xyz) della teoria ondulatoria dell’atomo, fanno idealmente riscontro alle orbite della teoria quantistica; secondo quest’ultima l’elettrone ruota attorno al nucleo su una orbita definita e con un determinato valore d’energia; secondo la teoria ondulatoria invece l’elettrone viene delocalizzato attorno al nucleo in una definita onda stazionaria ψ cui corrisponde ugualmente un determinato valore di energia.

Per queste analogie formali le ψ prendono comunemente nome di orbitali.

indietro2

Numero quantico magnetico (m)

Il numero quantico (m) “determina” gli orientamenti possibili nello spazio degli orbitali ψ rispetto ad un campo di forze esterno all’atomo di cui l’orbitale fa parte.
I valori che (m) può assumere sono i numeri interi che vanno da (-l) a (+l) compreso lo zero (0,±l)

Quindi.
n=1, 2, 3, 4
l=0, 1, 2, 3                 (s, p, d, f)
m=0, ±1, ±2, ±3, ……±l

Un orbitale n=2, l=1, m=0 si scrive ψ210

orbitale m

Nella tabella sono mostrati i valori di (m) al variare del numero quantico secondario (l) da 0 a 3 e di conseguenza il numero totale di orbitali che corrispondono ad ogni livello.

indietro2

Numero quantico spin (ms)

Successivi sviluppi teorici portarono P. Dirac ad introdurre un quarto coefficiente detto spin.
Secondo il modello dell’elettrone rotante, lo spin indica il verso di rotazione dell’elettrone sul proprio asse in senso orario e in senso anti orario.
Due elettroni che hanno gli stessi numeri quantici n, l, m (ovvero che occupano lo stesso orbitale ψ) non possono avere lo stesso numero quantico di spin (Principio di esclusione di Pauli) devono cioè vere spin opposto. Ogni orbitale può essere occupato solo da due elettroni con spin che devono essere opposti.

Quando due o più elettroni hanno a disposizione orbitali vuoti, essi tendono ad occuparne il maggior numero possibile disponendosi a spin paralleli.

ms= +1/2, -1/2

Gli orbitali vengono rappresentati graficamente da quadratini. Uno per l’orbitale (s), 3 uniti per l’orbitale (p), 5 per gli orbitali (d), 7 per gli orbitali (f).
Gli elettroni vengono rappresentato con frecce verticali. Ogni orbitale può contenere 0, 1, 2 elettroni. Il verso della freccia indica lo spin. Se l’orbitale è occupato da due elettroni essi devono averi versi opposti ad indicare spin opposti.
orbitali3

Nella condizione di maggiore stabilità dell’atomo (condizioni di minore energia) gli elettroni tendono ad assumere spin parallelo.

Es:
orbitali4
orbitali5

indietro2

Forma degli orbitali

E’ stato detto che dal numero quantico (l) dipende la forma dell’orbitale ψ nello spazio.
Essa infatti descrive forma e densità elettronica della nube di elettricità corrispondente ad un elettrone che si trova sull’orbitale ψ, e sono appunto queste nubi ed il loro orientamento che interessano i legami chimici.

Orbitale (s) (l=0) (m=0)

In ogni livello (n) per l=0 troviamo un solo orbitale s che è sempre sferico.
E’ da sottolineare che i livelli di tipo (s) hanno la stessa forma qualunque sia il livello (n) in cui si trovano. Bisogna altresì sottolineare che l’energia (volume) dell’elettrone cresce a crescere del numero quantico (n). Un elettrone nell’orbitale 1s ha energia inferiore alla energia di un elettrone nell’orbitale 2s.
2s

Orbitale (p) (l=1) (m=0, +1, -1)

A partire dal secondo livello (n=2) ogni livello presenta 3 orbitali ψ differenti ed ortogonali tra loro detti degeneri che possono contenere fino ad un numero massimo di 6 elettroni, due per ogni orbitale.
orbitali p

Orbitale (d) (l=2) (m=0, ±1, ±2)

Sono presenti nel 3°, 4°, 5°, 6°, livello con 5 orbitali ψ e possono contenere al massimo 10 elettroni.

orbitali d

Orbitali (f) (l=3) (m=0, ±1, ±2, ±3)

Sono presenti dal 4°, e 5° livello con 7 orbitali ψ e possono contenere al massimo 14 elettroni.

orbitali f

Esempio:

orbitali6

indietro2

Scrittura della struttura dell’atomo.

La struttura dell’atomo può essere scritta servendosi di alcune convenzioni.
Prendiamo come esempio l’atomo di ossigeno.
struttura ossigeno
Si ottiene:
struttura aossigeno

Così la configurazione elettronica dell’elio (He, numero atomico 2)
numero atomico elio
numeri atomici

Così per l’arsenico.
numeri atomici2
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p3


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Cromodinamica Quantistica

qcd_visual

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Cosa studia
Generalità
Differenza tra la cromodinamica quantistica e la meccanica quantistica
Quantum Chromodynamic, Qcd
Libertà asintotica

Cosa studia.
In fisica delle particelle fondamentali, la cromodinamica quantistica, o quantocromodinamica, o QCD (acronimo dell’inglese Quantum Chromo Dynamics), è la moderna teoria dell’interazione nucleare forte, la cui forma matematica è stata elaborata sul modello dell’elettrodinamica quantistica (o QED, Quantum Electro Dynamics), la moderna teoria quantistica dell’interazione elettromagnetica.

Il termine “cromo” indica che le forze agiscono tra cariche di “colore” e non tra cariche elettriche, come nell’elettrodinamica quantistica.

Generalità
Una caratteristica affascinante della natura sulla Terra è la sua sorprendente varietà, frutto di un numero infinito di combinazioni atomiche. I nuclei costituiscono la gran parte della massa degli atomi e rappresentano la quasi totalità della materia ordinaria osservata nell’Universo.
Gli atomi si sono formati solo molto dopo la creazione dei nuclei, poiché il legame tra elettroni e nuclei, è possibile solo a temperature molto basse, se confrontate con quelle delle grandi esplosioni cosmiche e delle fornaci delle stelle, dove i nuclei vengono prodotti.

Differenza tra la cromodinamica quantistica e la meccanica quantistica.
I protoni e i neutroni, al pari delle altre particelle che sperimentano l’interazione forte – gli adroni – non sono particelle elementari ma sono costituiti da ingredienti più fondamentali: i quark.
I quark hanno caratteristiche intrinseche molto diverse da quelle di altre particelle, quali l’elettrone e il neutrino. La prima caratteristica rilevante è che essi hanno carica elettrica frazionaria rispetto a quella dell’elettrone e ciò si riflette nel modo in cui essi si combinano a formare gli adroni.
Inoltre, i quark possiedono un’altra proprietà, detta colore. Il termine non ha alcuna attinenza con la luce visibile ed è soltanto una metafora per il fatto che tale proprietà sussiste in 3 varietà, dette rosso, verdee blu. Gli antiquark portano gli anticolori corrispondenti. La ricetta per formare un adrone è semplice da enunciare: i quark vanno combinati in modo che il colore complessivo sia nullo.

Quantum Chromodynamic, Qcd.

Questo significa che i quark non possono mai essere prodotti come particelle libere isolate, ma si trovano permanentemente confinati all’interno di particelle “bianche”.

Alla radice di questo bizzarro comportamento c’è la natura particolare dell’interazione tra i quark. Questa è di un tipo completamente nuovo e mediata da un nuovo tipo di particelle, i gluoni, i quali risentono dei colori dei quark. Il colore svolge in questo modello il ruolo svolto dalla carica elettrica nell’elettromagnetismo, e per questo ci riferiamo a questa nuova interazione con il nome di forza di colore e alla teoria che la descrive con il nome di cromodinamica quantistica (dall’inglese quantum chromodynamic, Qcd).
La forza di colore tra due quark non diminuisce con la distanza che li separa, il che è all’origine del loro confinamento all’interno degli adroni. L’altra faccia di questa proprietà è rappresentata dalla cosiddetta libertà asintotica, vale a dire il fatto che ad altissima energia – il che, per il principio d’indeterminazione di Heisenberg, equivale alle piccolissime distanze – quark e gluoni interagiscono molto debolmente tra loro. In altre parole, la forza di colore agisce come una sorta di molla.
Così come protoni e neutroni non sono fondamentali, non lo è nemmeno la loro reciproca interazione, vale a dire la forza nucleare. Questa altro non è che un residuo dell’interazione di colore tra i quark e i gluoni che li compongono, allo stesso modo in cui l’interazione tra atomi e molecole deriva dalle interazioni elettromagnetiche tra gli elettroni e protoni costituenti.

ChargeAPE5LQanimXs30small.gif

Gli antiquark, a loro volta possono esistere in ciascuno dei tre stati, o colori, ai quali vengono attribuiti numeri quantici resi convenzionalmente con il nome dei colori complementari: antirosso o cyan, antiverde, o magenta, antiblu o giallo. I gluoni, mediatori dell’interazione forte, derivano il loro nome dall’inglese lue, colla, perché sono come la colla che tiene insieme i quark. I gluoni hanno massa nulla, ma anch’esse dotate della proprietà, o numero quantico, denominata carica di colore
In questo la cromodinamica quantistica si differenzia dall’elettrodinamica quantistica, nella quale l’interazione elettromagnetica avviene tra particelle dotate di carica elettrica attraverso lo scambio di particelle prive di massa (i fotoni), ma anche prive di carica elettrica.

Nei barioni, l’introduzione del grado di libertà denominato colore permette di superare la contraddizione di avere tre fermioni (i tre quark) esattamente nello stesso stato quantico. I barioni vengono così rappresentati da tre quark di diverso colore uno rosso, uno verde e uno blu, combinati quindi in modo da dare una risultante neutra per quanto riguarda la carica di colore. In questo caso il bianco, che è la risultante del rosso, del verde e del blu, nel mondo delle particelle fondamentali viene a corrispondere alla neutralità rispetto al colore. Allo stesso modo, i mesoni, sono composti da un quark e da un antiquark. Ciò rende anche i mesoni neutri riguardo al colore. Mentre la forza di colore, che si esercita tra i quark, aumenta all’aumentare della distanza, la forza che si esercita tra i nucleoni del nucleo diminuisce rapidamente all’aumentare della distanza tra i nucleoni: ciò è dovuto al fatto che si tratta di interazioni tra particelle mediatrici neutre rispetto al colore.

adroni

Nella cromodinamica quantistica, quanto più i quark sono vicini tra loro tanto minore è l’interazione di scambio che si esercita. Ma quanto più si allontanano tanto più intensa diventa l’interazione, come se i quark fossero uniti da un elastico che quanto più si tende tanto più rende intensa la forza esercitata.

Libertà asintotica
Il termine libertà asintotica significa che, come mostrano bene le esperienze, a distanza ravvicinata i quark si comportano come particelle libere. Se però si agisce nel senso di tentare di allontanarli, essi sviluppano una forza attrattiva estremamente alta che cresce al crescere della distanza, sino a precludere del tutto la possibilità di poter mai osservare direttamente un quark separato dall’altro o dagli altri che con esso formano i barioni e i mesoni (proprietà del confinamento dei quark).

La cromodinamica quantistica rappresenta, insieme all’elettrodinamica quantistica, un contributo essenziale al Modello Standard delle particelle e delle interazioni, la teoria che descrive in un unico ambito tutte le interazioni fondamentali, a eccezione di quelle gravitazionali.


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Le particelle elementari

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FISICA DELLE PARTICELLE

Menù
1. Introduzione
2. Acceleratori
3. Esplosioni di particelle
4. L’ipotesi dei Quark
5. Modello Standard
6. Le particelle composte da Quark gli androni: barioni e mesoni.
7. I leptoni
8. Tabella
9. Forze e interazioni.
10. Forza elettromagnetica
11. Interazione forte.
12. Interazione debole.
13. Questioni aperte.

Introduzione

All’inizio degli anni ’30 le particelle considerate fondamentali individuate erano quattro: il neutrone appena scoperto (1932), il protone, l’elettrone e il fotone. Ma restavano alcuni problemi aperti:
Cosa tiene insieme i protoni e neutroni a formare il nucleo?
Quali sono le forze coinvolte nei decadimenti nucleari radioattivi che danno vita a raggi alfa, beta e gamma?
E’ proprio a partire da quegli anni che, grazie al progresso delle tecniche di rivelazione e alla nascita degli acceleratori di particelle , il numero di particelle osservate direttamente o indirettamente è andato aumentando, fino a raggiungere l’attuale numero di circa 200 (destinato probabilmente ad aumentare).

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Acceleratori

L’acceleratore è uno strumento che permette ai fisici di analizzare strutture minutissime in quanto produce particelle di grande momento, e quindi di piccola lunghezza d’onda.
Gli esperimenti di fisica delle particelle studiano le collisioni di particelle di alta energia prodotte negli acceleratori.

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Esplosioni di particelle

Con grande sorpresa dei fisici, gli esperimenti con gli acceleratori rivelarono che il mondo delle particelle era molto ricco; furono scoperti molti tipi di particelle simili a protoni e neutroni (i barioni), e un’intera famiglia nuova, i mesoni. Solo entro la metà degli anni ’60 erano stati identificati circa cento tipi di particelle, e i fisici non conoscevano ancora sistematicamente le forze fondamentali.

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L’ipotesi dei Quark

Nel 1964, due fisici – Murray Gell-Mann e George Zweig – indipendentemente giunsero all’idea che i neutroni, i protoni e tutte le nuove particelle potessero essere riportate a pochi tipi di oggetti ancora più piccoli; Gell-Mann chiamò questi oggetti quark.
Gell-Mann e Zwieg riuscivano a ricondurre tutti i barioni e i mesoni osservati a tre soli tipi di quark (oggi chiamati up, down, e strange) e ai loro corrispondenti antiquark. La caratteristica rivoluzionaria della loro idea era che bisognava assegnare ai quark cariche elettriche di +2/3 e -1/3 (rispetto alla carica del protone): cariche del genere non erano mai state osservate!
Gli antiquark sono i corrispondenti di antimateria dei quark; rispetto ai quark corrispondenti, hanno stessa massa ma carica opposta. Quando un quark incontra il suo antiquark, possono annichilarsi, scomparendo per dar vita a qualche altra forma di energia.

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Modello Standard

Circa trenta anni e molti esperimenti dopo, l’idea dei quark è stata confermata. Ora fa parte del Modello Standard delle particelle e delle forze fondamentali. Nuove scoperte hanno dimostrato che esistono sei tipi di quark (chiamati up, down, strange, charm, bottom e top, in ordine di massa crescente).
Inoltre, ci sono sei tipi di particelle, tra cui l’elettrone, chiamati leptoni.
Il Modello Standard spiega le interazioni forte, debole ed elettromagnetica tra i quark e i leptoni, e in questa maniera rende ragione delle strutture dei legami e dei decadimenti nucleari.

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Le particelle composte da Quark gli androni: barioni e mesoni.

Il motivo per cui cariche elettriche frazionarie come quelle dei quark non sono mai state osservate è che i quark non si trovano mai isolati, ma solo all’interno di particelle composte, chiamate “adroni”. Ci sono due classi di adroni: i barioni, che contengono tre quark, e i mesoni, che contengono un quark e un antiquark. Le tabelle degli adroni all’interno della tavola del Modello Standard presentano alcuni esempi delle molte particelle note. Particelle composte dai primi cinque tipi di quark sono state prodotte e studiate presso gli acceleratori. Il quark top ha massa così grande che, per produrlo, ci sono voluti molti anni e acceleratori di altissima energia. Il quark top è stato finalmente osservato nell’aprile 1995 a Fermilab.

quark

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I leptoni

Diversamente dai quark, ciascuno dei sei leptoni può essere trovato isolato. L’elettrone è il leptone meglio conosciuto. Due altri leptoni carichi il muone (scoperto nel 1936), e il tau (scoperto nel 1975) differiscono dall’elettrone solo per il fatto che hanno massa molto maggiore. Gli altri tre leptoni sono particelle molto elusive, chiamate neutrini, che non hanno carica elettrica, e hanno massa piccolissima, se non nulla. Ad ogni tipo di leptone dotato di carica corrisponde un tipo di neutrino. Per ciascuno dei sei leptoni esiste un antileptone, di massa uguale e carica opposta.
I leptoni di differiscono dagli androni per via delle loro massa estremamente piccola.

Leptoni2

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Tabella delle particelle elementari

Non ti sarà sfuggito che sia i quark che i leptoni esistono in 3 serie distinte. Ognuna di queste serie viene chiamata generazione di particelle materiali. Una generazione è una serie di quark e leptoni, un tipo per ogni carica. Ogni generazione è tendenzialmente più pesante della serie precedente.
Tutta la materia visibile nell’universo è composta dalla prima generazione di particelle materiali: quark up e down, ed elettroni. La seconda e la terza generazione sono instabili, e decadono in particelle della prima generazione. E’ per questo motivo che tutta la materia stabile dell’universo è fatta dalle particelle della prima generazione.

particelle

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Forze e interazioni.

Ora conosciamo gli elementi che costituiscono la materia, ma dobbiamo ancora chiederci: cosa li tiene insieme?
Tutte le forze sono dovute alle soggiacenti interazioni tra le particelle. Le interazioni sono di quattro tipi: gravitazionale, elettromagnetica, forte e debole. La gravità è probabilmente la forza più familiare, ma non è inclusa nel Modello Standard perché i suoi effetti sono minimi nei processi subatomici e, inoltre, i fisici non sanno ancora come fare ad includerla.

forze

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Forza elettromagnetica

Anche le forze elettromagnetiche sono abbastanza familiari; sono responsabili del legame tra gli elettroni e i nuclei, a formare atomi elettricamente neutri. Gli atomi si combinano a formare molecole o cristalli grazie agli effetti elettromagnetici che agiscono sui loro elementi carichi. Gran parte delle forze che sperimentiamo ogni giorno, come il sostegno del pavimento, o l’attrito, derivano dalle forze elettromagnetiche che si oppongono a che gli atomi o gli elettroni si spostino dalla loro posizione di equilibrio in un materiale.
Nei processi tra le particelle le forze vengono descritte in termini di scambi tra le particelle: ad ogni tipo di forza viene associato un mediatore di forza. Il mediatore della forza elettromagnetica è il fotone; i fotoni di una transizione nucleare sono chiamati “raggi gamma”.
Su distanze molto superiori alla dimensione del nucleo atomico le rimanenti due forze hanno solo effetti minimi — perciò non possiamo notarli ordinariamente. Ma da loro dipende l’esistenza di tutto ciò di cui è fatto il mondo; e da loro dipendono anche i processi di decadimento che rendono instabili certi tipi di materia.

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Interazione forte.

L’interazione forte tiene insieme i quark a formare gli adroni; i suoi mediatori hanno il bizzarro nome di gluoni perché “incollano” i quark (e “colla” in inglese si dice “glue”). Il legame tra neutroni e protoni nei nuclei è un effetto dell’interazione forte residua, dovuto alle intense interazioni tra i quark e i gluoni che li costituiscono. I leptoni non sono soggetti all’interazione forte.

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Interazione debole

L’interazione debole dà vita agli unici processi in cui un quark può cambiarsi in un altro tipo di quark, o un leptone in un altro leptone. E’ responsabile del fatto che tutti i quark e leptoni di grande massa decadano per produrre quark e leptoni più leggeri. Questo è il motivo per cui la materia stabile che ci circonda contiene solo elettroni e i due tipi più leggeri di quark (up e down). I mediatori dell’interazione debole sono i bosoni W e Z. Il decadimento beta dei nuclei è stato il primo processo di interazione debole mai osservato: in un nucleo ove ci sia sufficiente energia, un neutrone diventa un protone ed emette un elettrone e un antineutrino-elettrone. Gli elettroni emessi costituiscono i “raggi beta”

Così ora abbiamo spiegato i raggi beta e gamma: e gli alfa?
Le particelle alfa sono nuclei di elio — prodotti di fissione nucleare. La fissione è il rompersi di un nucleo grosso in nuclei più piccoli; questo avviene quando la somma delle masse dei nuclei più piccoli è inferiore alla massa del nucleo generatore. Questo è un effetto dell’interazione forte residua.

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Questioni aperte

Il Modello Standard risolve molti dei problemi sulla struttura e la stabilità della materia con i suoi sei tipi di quark, sei tipi di leptoni, e quattro tipi di forze.
Ma il Modello Standard lascia aperte molte altre questioni: Perché ci sono tre tipi di quark e di leptoni per ciascuna carica? C’è qualche regolarità nella distribuzione delle loro masse? Ci sono altri tipi di particelle o forze ancora da scoprire con acceleratori più potenti? I leptoni e i quark sono davvero fondamentali, o hanno anche loro una struttura interna? Come possiamo includere nel modello anche l’interazione gravitazionale? Quali particelle costituiscono la materia oscura dell’universo?
Come rientra la gravità nel Modello Standard ?
Sappiamo che nell’universo ci deve essere molta più materia di quella che possiamo osservare. Questa invisibile materia oscura, che cosa è?

Questi problemi spingono i fisici delle particelle a costruire e far funzionare nuovi acceleratori, in modo che collisioni ad un’energia ancora più alta possano fornire tracce per risalire alle risposte.

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(INAF)

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La madre e i fratelli del Sole (4)

Il Sole

La fine del Sole

Bene o male sappiamo tutti la fine che spetta al nostro Sole.
Un giorno, fra circa 5 miliardi di anni da oggi, ma anche da domani, il Sole finirà il combustibile costituito dall’idrogeno contenuto nel suo nucleo.

Dalle sue attuali dimensioni medie e dal colore giallastro, si espanderà in una gigante rossa, e inghiottirà i due, tre o forse quattro pianeti, quelli più vicini. La Terra si troverà probabilmente accanto se non all’interno della superficie del Sole.

Il suo nucleo comincerà a raffreddarsi e la sua fornace nucleare si spegnerà lentamente. Man mano si gonfierà. Il suo campo magnetico non sarà in grado di trattenere i giganteschi strati esterni a bassa densità. La sua atmosfera fluttuerà via.

Per Hawkins, il Sole diventerà una bellissima nebulosa planetaria, con una nana bianca come nucleo. Una piccola massa densa contenente i resti di ciò che rimane del Sole. Continuerà a raffreddarsi nel corso de tempi ed andrà alla deriva attraverso la nostra galassia per un numero indicibile di eoni futuri.

E poi?
E’ possibile che il Sole e la sua nebulosa inizi a formare una nuova famiglia?
Teoricamente è probabile che si imbatta in altro materiale sufficiente per condensarsi in una nuova stella e formare la sua corte di pianeti. Usando il Very Large Telescope in Cile si è individuato un disco caldo di vapore attorno ad una vecchia stella morente. Assomiglia a un disco protoplanetario del tipo che avvolge le stelle poco dopo la nascita. Ciò significa che le stelle ed anche il nostro Sole potrebbero avere una seconda possibilità di creare mondi.

Ma più probabilmente morirà di una morte tranquilla nella regione semi esterna della galassia.

(Le Scienze)

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