Il Modello Standard – Proprietà

Riprendiamo lo schema iniziale del Modello Standard visto qui con la rappresentazione degli elementi costituenti la materia assieme alle particelle mediatrici di forza e iniziamo a fornire una prima classificazione della stessa lasciando da parte il bosone di Higgs.

La materia si divide in:

  • adroni (forte, in greco): composta da quark e sensibili alla forza forte e debole.
  • leptoni (sottile, in greco): prendono parte alle interazioni e sentono la forza debole.

Gli adroni a sua volta si dividono in:

  • barioni: sono particelle costituite da 3 quark, come il protone ed il neutrone. La materia barionica in sostanza costituisce tutto ciò che possiamo vedere e toccare con mano.
  • mesoni: son particelle costituite da due quark come i pioni. Essi si trovano, per esempio, nei raggi cosmici.

I barioni e leptoni fanno parte della famiglia dei fermioni (le prime tre colonne dello schema), ovvero son particelle dotate di massa e dotate di spin semi-dispari; i bosoni invece son particelle che hanno spin intero ed obbediscono alla statistica di Bose-Einstein; tutte le particelle elementari mediatrici delle forze elementari (quarta e quinta colonna) sono bosoni (di Gauge). I fotoni, gluoni, particelle W e Z hanno spin 1, mentre quark e leptoni hanno spin ½.

Nel 1925 W. Pauli (Nobel per la Fisica nel 1945) formulò un principio noto come principio di esclusione di Pauli, che proibisce a due fermioni di possedere lo stesso stato quantico. Questo principio pone un vincolo alla quantità di materia che po’ essere ridotta o confinata in un piccolo spazio; questo limite stabilisce anche i livelli energetici minimi che gli elettroni (un leptone, e quindi fermione), possono occupare intorno al nucleo atomico. Il limite può essere superato durante il collasso gravitazionale di una stella quando la forza gravitazionale degli strati superiori diventa maggiore della forza repulsiva fra gli elettroni e si forma una stella di neutroni. Questo limite non vale per i bosoni, per i quali più di uno può trovarsi contemporaneamente in uno stesso stato quantico; un processo che viene facilitato alle temperature molto basse; minore è la temperature, maggiore è la capacità che hanno i bosoni di addensarsi e trovarsi in uno stesso stato quantico a minore energia. Il risultato è un nuovo stato della materia verificato sperimentalmente in laboratorio chiamato condensato di Bose-Einstein.

Il bosone di Higgs ha spin 0; inoltre la teoria del Modello prevede inoltre un valore di spin anche per il gravitone (il bosone responsabile della forza gravitazionale la cui esistenza non è ancora verificata sperimentalmente a cui corrisponde uno spin 2.

Una seconda classificazione della materia (ovvero sempre relativa al 4% circa di ciò che possiamo “vedere e toccare con mano”) può essere fatta se si analizza il diagramma del Modello Standard per colonne. Notiamo che:

  • Ci sono sei quark, raggruppati in tre famiglie: (u, d), (c, s) e (t, b). Ogni famiglia ha la stessa coppia di carica elettrica ma masse diverse: procedendo da sinistra a destra la massa aumenta, fino ad arrivare al quark top che ha una massa equivalente di circa 200 protoni.

I quark furono ipotizzati da Murray Gell Mann (Nobel nel 1969) per estendere il concetto di Simmetria in Natura. Egli ipotizzò l’esistenza di tre particelle fondamentali che hanno due tipi di carica: carica elettrica e di colore (rosso, verde e blu).  Feymann dimostrò che queste particelle erano reali. I quark godono di una proprietà chiamata confinamento del colore; ovvero non si possono dividere; anche se cerco di spezzare quark fornendo loro energia, compaiono altre coppie di quark (ed antiquark) che immediatamente si uniscono al quark “singolo”. Dal punto di vista della meccanica quantistica, in pratica è come se fornendo sufficiente energia alla materia si potesse estrarre nuove particelle dal vuoto che si legano o annichiliscono con le particelle già presenti.

La loro stabilità è legata alla massa: masse più grandi (grandi quantità di energia), minore è la loro durata di vita. I quark hanno carica elettrica frazionaria e sono possibili solo combinazioni di quark tali che la somma delle cariche elettriche sia un numero intero (come protoni e neutroni).

  • Ci sono 6 leptoni raggruppati in tre famiglie: l’elettrone, il muone ed il tauone (o tau) ognuna con il suo neutrino. La massa aumenta passando dall’elettrone al tauone.

Ogni leptone è in “coppia” con il suo neutrino: muovendosi da destra a sinistra si passa da una particella meno stabile come il tauone che dura 10-15 secondi ad una più stabile, l’elettrone, pari a 1026 anni. In generale più una particella è instabile, più decade in tempi brevi in una zona di maggiore stabilità energetica. La Natura predilige zone di stabilità.

Modello Standard animato
Modello Standard animato. Fonte en.wikipedia.org modificato dall’autore.

Dato che la carica, spin ed energia si devono sempre conservare, tutte le volte che un processo nucleare porta ad un deficit di energia o carica significa che si è in presenza di una nuova particella. Così è successo per la scoperta del neutrino da parte di W. Pauli (1930) e così si osserva nei raggi cosmici in associazione con il decadimento del muone e tauone, in cui compaiono i rispettivi neutrini. I neutrini hanno una massa molto elusiva (ma non nulla) per giustificare il loro cambiamento di sapore; essi, infatti, possono cambiare sapore all’interno dei tre definiti dal modello (neutrino elettronico, muonico e tauonico); il modo con cui questo avviene è determinato da alcuni parametri collegati all’angolo di miscelazione del neutrino. Secondo la teoria di Pontecorvo, anche il termine massa va sostituito con il più corretto stato di massa, ovvero una sovrapposizione o combinazione lineare di stati ciascuno dei quali corrisponde un valore di massa, ove ad ogni stato corrisponde una propagazione di un’onda elettromagnetica.

Di cosa è costituito quindi un atomo? L’atomo è costituito da un nucleo di neutroni e protoni ed una nuvola probabilistica di elettroni che occupano orbite energetiche ben definite in modo che elettricamente sia neutro.

Neutrone
Il neutone è costituito da due quark down, un quark up e una molteplicità di quark-antiquark che si annichiliscono fra loro e contribuiscono alla massa totale del neutrone

I neutroni e protoni nel nucleo sono costituiti da una quantità innumerevole di quark la cui carica di colore viene scambiata dai gluoni. I gluoni sono inoltre responsabili di mantenere assieme il nucleo. Dal punto di vista atomico del modello quello di cui è costituito il neutrone (e il protone) sono solo tre quark, in particolare il neutrone è definito dalla terna (d, d, u), mentre il protone è definito dalla terna (u, u, d). La distanza media fra quark è di circa 1,5 fermi (1 fermi = 10-15 m).

Ordini di grandezza atomo
Ordini di grandezza dell’atomo

Contrariamente a ciò che può sembrare, alla massa del protone non concorrono solamente i tre quark; infatti se facessimo la somma delle masse di questi ultimi non otterremo la massa totale del protone. La massa del protone infatti è costituita al 99 % dall’energia risultante dai continui urti fra quark ed antiquark che costantemente si creano e si annichiliscono a vicenda.

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