Qui Quo ….. Quark

Cosa sono i quark? A cosa servono? Voi lo sapete?
No?
Tranquilli, non siete i soli, pochi lo sanno con esattezza.

Quando ero piccolo leggevo le avventure dei nipoti terribili di Paperino: Qui, Quo, Qua.
Loro non c’entrano in questa storia dei quark. Ma mi piace pensarlo.
I tre paperi sono gemelli identici di un padre sconosciuto. Anche i quark in un certo senso lo sono, figli di un padre (o di padri) sconosciuto, oltre ad avere un comportamento bizzarro come i tre paperini.

Alle scuole medie inferiori ci raccontavano che gli elementi della natura erano quattro: terra, acqua, aria, fuoco.

Allo scientifico, quando le cose diventano più serie, ci hanno insegnato che tutti gli elementi della natura erano riconducibili ad una struttura infinitesimale piccola e indivisibile: l’atomo, formato da solo tre particelle elementari. Al centro (nucleo) ci sono i protoni con carica positiva e i neutroni che non hanno nessuna carica elettrica. Attorno al nucleo girano gli elettroni di carica elettrica negativa come i pianeti in un piccolo sistema solare.
Banale vero?

Poi andiamo alla università e scopriamo che le cose non stanno esattamente così.

Gli elettroni sono caratterizzati da una doppia natura, una corpuscolare e una ondulatoria. Concetto difficile da digerire, ma è così.

Gli elettroni infatti non descrivono orbite ma nuvole d’orbite tridimensionali dette orbitali atomici che non sono altro che zone dello spazio entro le quali è maggiore la probabilità di trovare l’elettrone.

Il fatto nuovo è che, a differenza dei pianeti nel sistema solare, in queste orbite descritte dall’elettrone non è possibile conoscere simultaneamente posizione e quantità di moto di una particella infinitesima come l’elettrone. In pratica se si conosce la posizione non si conosce la quantità di moto (massa per velocità) e viceversa.

Le nuove teorie prevedono inoltre che gli elettroni possiedono livelli di energia propri (quanti) in base all’orbita occupata, possono muoversi tra queste orbite emettendo una particella elementare chiamata fotone con un’energia pari alla differenza energetica fra i due livelli.
Inoltre ogni orbitale può contenere al massimo due elettroni (principio di esclusione di Pauli).

Per completare l’opera, oltre al momento angolare associato alla sua orbita, l’elettrone doveva possedere un “proprio” momento angolare intrinseco che fu chiamato “spin”. In altre parole l’elettrone gira vorticosamente su se stesso attorno al proprio asse e questo movimento viene chiamato spin.

Cosa c’entra tutto questo con i quark – mi interrompe il mio cane che è rimasto ad ascoltarmi. Bravo il mio cane.

Tutto questo c’entra eccome – rispondo – serve per arrivare a dire che ogni particella in natura ha un valore univoco di spin.

Tutte le particelle elementari che formano la materia visibile hanno spin 1/2 e vengono genericamente chiamate “fermioni“.
Esiste un’altra classe di particelle che ha lo spin intero (0, 1, 2, …). Tali particelle sono i mediatori delle forze fondamentali esistenti tra le particelle che formano la materia e vengono chiamati “bosoni“.

La materia è costituita da particelle.
Le particelle si suddividono in particelle ‘elementari’ e ‘non-elementari’: le prime, descritte dal Modello Standard, sono i costituenti indivisibili della materia, le seconde sono aggregati delle prime.

Il gruppo di particelle elementari subatomiche: elettroni, neutrini muoni, tauoni, di massa scarsissima, viene anche chiamato con il nome di “leptoni” e non subiscono l’interazione forte.
Il gruppo di particelle elementari subatomiche: protoni, neutroni e mesoni, contenenti anche delle particelle più piccole, i quark (che vedremo in seguito), dotati di una certa massa e soggetti all’azione di tutte le forze, viene chiamato con il nome di “androni”.

In parole povere, secondo il Modello Standard la materia è  costituita da particelle dette fermioni che interagiscono fra loro grazie alle interazioni fondamentali mediate da altre particelle elementari dette bosoni.

Ok, fin qui ci sei?
Non tanto? Non importa, era soltanto una introduzione da tenere a mente che torna buona nel seguito. Capirai piano piano. Andiamo avanti.

Fino al 1965 si pensava che i protoni e i neutroni fossero particelle “elementari” cioè non ulteriormente scomponibili. A metà degli anni sessanta, per testare questa ipotesi, furono fatti esperimenti in cui i protoni venivano fatti scontrare ad alte velocità con altri protoni o elettroni.
Nello scontro si notò che i protoni si frantumavano liberando particelle più piccole. Queste nuove particelle furono chiamate “quark” dal massimo studioso del fenomeno, il fisico statunitense Murray Gell-Mann.

Ma non è finita qui.
Fino a qualche anno fa i fisici ritenevano ci fossero solo due quark, chiamati up e down (“su” e “giù”) e di carica elettrica uguale rispettivamente a 2/3 e -1/3 della carica dell’elettrone; poi, con il passare degli anni, la famiglia è cresciuta.

Si sono scoperti infatti altri quattro quark, battezzati con nomi strani: charm (fascino), strange (strano), bottom (basso) e top (alto), prodotti negli acceleratori di particelle.

Ben presto si è scoperto anche che per ogni quark esiste un antiquark con carica elettrica opposta (e con un’altra proprietà opposta, la cosiddetta “stranezza”).

Infine, come se non bastasse, ci si è resi conto che “ogni quark può esistere in tre stati diversi”, altrimenti sarebbe violata una legge fondamentale, che si chiama principio di esclusione di Pauli.
In altre parole, due quark che agli strumenti di misura sembrano uguali possono in realtà essere diversissimi: per convenzione, si dice che hanno un “colore” differente (e gli strumenti, come se fossero daltonici, non li possono distinguere).

In definitiva si conoscono 6 tipi distinti di quark: up, down, strange, charme, bottom, top (indicati rispettivamente con i simboli u, d, s, c, b, t).

Di ciascuna di queste 6 particelle si hanno tre repliche diverse caratterizzate da una grandezza denominata convenzionalmente colore o carica di colore (in tal senso si parla di quark colorati).

I quark hanno spin 1/2 (spin semi-interi).
Un gruppo di particelle subatomiche costituite da tre quark (adroni) è chiamato “barione“.

Risposta alla prima domanda.
Bene, con questa affermazione abbiamo risposto alla prima domanda: cosa sono i quark.
I quark sono quindi particelle subatomiche di tipo fermiamo,  che interagiscono tra loro, appartenenti alla famiglia degli androni dotati di una certa massa e soggetti all’azione di tutte le forze (che ti avevo detto di tenere a mente).
Ed ogni quark ha  “personalità” diverse (quark colorati).

Adesso comincio a capirci qualcosa – mi dice il mio fedele amico a quattro zampe interrompendo un silenzio che oramai durava inspiegabilmente da troppo tempo – è come dire che questi gemelli (quark) si comportano in maniera bizzarra in ragione del loro caratere.

Giusto – rispondo al mio cane –  ma ora mettiamo un po’ d’ordine alle idee per rispondere alla seconda domanda: a cosa servono i quark.
I quark possono essere raggruppati in tre generazioni appartenenti alla famiglia dei fermioni.

(I 6 tipi, sapori, di quark sono colorati in violetto. Le particelle subatomiche di massa scarsissima, leptoni, in verde )

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Cosa sono le generazioni? -mi domanda ancora il mio fedele amico.

In modo intuitivo posso dire che le generazioni sono delle suddivisioni dei quark in base alla loro massa e decadenza (sapori).
Ogni generazione è composta da due leptoni e due quark (più le loro antiparticelle dette antiquark). In totale si originano in questo modo sei tipi di quark, differenziati da quello che viene chiamato il loro sapore: la prima generazione è composta dai quark e dai leptoni di massa minore e contiene il quark up e down; la seconda include il quark charm e il quark strange; della terza fanno parte il quark top e il quark bottom.

I quark non sono stati mai visti liberi. Solo i quark di prima generazione (up e down) esistono spontaneamente in natura. In natura i quark si trovano solo uniti in particelle composte dette adroni, come per esempio il protone e il neutrone.

I quark più pesanti (II e III generazione) si possono originare solo in collisioni ad alta energia, condizioni che si verificano in natura nei raggi cosmici o che vengono riprodotte artificialmente negli acceleratori di particelle e decadono rapidamente.

Possiamo dire, caro mio, che i mattoni fondamentali di tutta la materia visibile nell’Universo sono le particelle della prima famiglia o generazione.

Allo stato attuale le ricerche di una quarta generazione (con paricelle sempre più grandi) sono fallite. Per questo si ritiene che non possano esistere altri quark e leptoni di generazione superiore alla terza.

Risposta alla seconda domanda.
Abbiamo detto che tutti i componenti del mondo in cui viviamo cadono nella famiglia di Prima Generazione contenente il quark up e quello down, l’elettrone e il neutrino elettronico, allora vediamo come sono legati i quark con protone, neutrone.

Protone
2 Quark Up + 1 Quark Down. Carica elettrica: +1; massa: 938,3 MeV
Neutrone
2 Quark Down + 1 Quark Up.: carica elettrica: 0; massa: 939,6 MeV
Elettrone
carica elettrica: -1; massa: 0,511 MeV

Sia il protone, sia il neutrone hanno “colore neutro”, sono cioè composti da un quark “Rosso”, uno “Verde” e uno “Blu” (rosso+verde+blue=bianco, colore neutro).

Quindi, caro mio cagnone, possiamo concludere che i quark fanno parte delle particelle fondamentali della natura che unendosi tra loro danno origine ai protoni e neutroni.

Si può quindi confermare che tutta la materia ordinaria che osserviamo intorno a noi è costituita da sole tre particelle elementari:
l’Elettrone; il Quark Up; il Quark Down.

Grazie per questa spiegazione – mi ringrazia il mio amico e assistente a quattro zampe – anche se sono solo un cane ora ne so qualcosina di più sulla materia e sui quark.

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