Di cosa è fatta la materia? A questa domanda Democrito, un filosofo greco del III secolo a. C., avrebbe risposto: da atomi, particelle indivisibili (dal greco atomos – indivisibile) che riempiono uno spazio vuoto. Questa era, effettivamente, la conoscenza massima che si poteva avere dell’argomento, fino all’inizio del 1900; l’atomo era considerato l’elemento fondamentale della materia in grado di reagire e legarsi con altri atomi nelle reazioni chimiche per formare nuovi composti. Ma l’atomo è effettivamente una particella fondamentale della materia?

Una particella fondamentale, per definizione, rappresenta un componente indivisibile che non può essere scomposto in elementi più semplici che rappresenta la base di cui tutta la materia dell’Universo è costituita: per fare un paragone si potrebbe dire che una particella fondamentale è come un mattone con la quale costruire un edificio.

In verità la risposta alla nostra domanda è: no, l’atomo non è una particella fondamentale. Il motivo principale per cui lo sappiamo solo da poco più di 100 anni è dovuto alle sue dimensioni molto piccole (10^-10 m): da quando i fisici hanno iniziato a studiare gli effetti macroscopici quali la radioattività (scoperta per caso da Rontgen) associati a fenomeni a livello subatomico.

Lo studio della radioattività ha portato alla scoperta di altre particelle più piccole e i fisici si sono chiesti quali di queste fossero effettivamente i mattoni dell’Universo e quali invece sono solamente prodotti da reazioni secondari per poter costruire un modello di riferimento, che è tuttora incompleto. Il passo successivo dei fisici è stata la catalogazione e classificazione delle centinaia di particelle tuttora note (circa 200) in un quadro di riferimento valido per tutti, in modo da metter un po’ di ordine e dare struttura alla materia. Dato il quadro abbastanza complesso e l’immenso lavoro da svolgere è nata nei primi decenni del 1900 una branca specifica della fisica con l’obiettivo di studiare il comportamento e l’interazione della materia a scale subatomiche: la meccanica quantistica. Questa disciplina si pone come obiettivo lo studio, la verifica sperimentale (grazie agli acceleratori di tutto il mondo) e la classificazione delle particelle che compongono la materia in un modello: il Modello Standard.

Il risultato di questi sforzi è il Modello Standard, entro il quale sono state definite una lista di particelle fondamentali nominate con l’alfabeto greco o romano con lo scopo di spiegare la Natura. Il Modello contempla non solo particelle ma anche le particelle mediatrici di forza, ovvero particelle (secondo il principio di dualità corpuscolare – ondulatoria) che sono le portatrici delle forze della Natura.

Come teoria fisica il Modello è abbastanza valido, nel senso che tutto ciò che è incluso riguarda particelle che effettivamente esistono e sono state scoperte negli Acceleratori di Particelle in tutto il mondo, ma è incompleto e presenta dei limiti: ad oggi non riesce a spiegare completamente la Natura che ci circonda. Prima di addentrarci nei suoi limiti e descrivere i suoi costituenti, è necessario dare una breve spiegazione della catalogazione delle Forze.

In Natura esistono solo quattro tipi di forza:

• Forza gravitazionale: la forza che tiene assieme stelle, pianeti e contribuisce alla coesione delle galassie. È preponderante quando abbiamo a che fare con grandi ammassi di materia.

• Forza elettromagnetica: la forza che agisce fra atomi e molecole ed è la causa delle reazioni chimiche e della radiazione elettromagnetica (luce, …)

• Forza nucleare debole: la forza responsabile della radioattività e dei neutrini.

• Forza nucleare forte: la forza che tiene insieme il nucleo dell’atomo: protoni e neutroni. La più intensa e rilevante a scala sub-atomica.

Ad ognuna delle quattro forze fondamentali corrisponde una particella che è responsabile della trasmissione e mediatrice della forza fra gli attori coinvolti (altre particelle). Il modello venne formulato da Glashow (premio Nobel nel 1979 per la Fisica) nei primi anni ‘60; tuttavia presenta dei limiti che riassumiamo brevemente nei seguenti punti:

• Non include la forza gravitazionale: la sua mediatrice di forza infatti (il gravitone) non è presente nella lista delle particelle fondamentali.

• Non include la Materia Oscura, ovvero quella materia “non visibile” che però interagisce con grandi ammassi di materia e che da una giustificazione alla coesione gravitazionale di grandi ammassi di Galassie.

• Dato che la materia oscura e l’Energia Oscura (quest’ultima responsabile dell’espansione dell’Universo) costituisce circa il 96 % della materia totale costituente l’Universo, il Modello Standard si riferisce solo al restante 4 % della massa.

• Non giustifica la massa (seppur elusiva) dei neutrini, che secondo il modello, hanno massa nulla. La massa dei neutrini è necessaria per giustificare il cambiamento di sapore di questi ultimi fra i tre possibili: elettronico, muonico e tauonico.

• Non giustifica la massa delle particelle: la teoria originale assegnava ad ogni particella una velocità pari a quella della luce ed una massa nulla. Per giustificare l’Universo come lo conosciamo oggi (altrimenti noi ad esempio non esisteremmo) è stato introdotto un processo noto come meccanismo di Higgs che, sin dai primi istanti dell’Universo (centesimi di miliardesimi di secondo dopo il Bug Bang), è responsabile della massa di ogni particella.

• Non giustifica il perché ogni particella ha la massa che la caratterizza; o meglio sappiamo che il rapporto fra massa dell’elettrone e del protone è di circa 1/1853, a il perché di questo valore il Modello non lo spiega né i fisici hanno saputo finora darsi una risposta.

Il modello è costituito da 16 particelle più il bosone di Higgs; ad ognuna di esse corrisponde una antiparticella non rappresentata in figura che possiede stesse caratteristiche della sua gemella principale tranne carica elettrica opposta; per esempio al protone carico positivamente è associato un antiprotone carico negativamente. Particelle di materia e antimateria interagiscono fra loro: quando una particella di materia si scontra con una di antimateria esse annichiliscono e rilasciano energia. In totale ci sono 16 + 16 +1 = 33 particelle fondamentali. Anche se può sembrare strano l’antimateria esiste veramente e viene usata, per esempio, in medicina nucleare nella PET (Tomografia ad emissione di positroni) in cui in questo caso il positrone è la particella di antimateria opposta all’elettrone. L’Universo che conosciamo però, è costituito in maggioranza da materia; ciò significa che in passato (all’origine dell’Universo) quest’ultima prevalse sull’antimateria. Il perché ciò accadde, così come le domande prima elencate non lo sappiamo ancora; è uno dei misteri che ancora la Natura non ha voluto svelarci.

Ognuna delle 16 particelle è descritta da 3 parametri:

• Massa: espressa in termini di elettronvolt (eV). Si tratta di una misura di quantità energia usata per scale sub atomiche. L’elettronvolt rappresenta l’energia necessaria per muovere un elettrone nel vuoto immerso in un campo con una differenza di potenziale di 1 volt. È un sottomultiplo del Joule. Grazie all’equivalenza massa-energia, se si considera il valore di c unitario, possiamo stabilire un rapporto uno a uno fra unità di massa ed unità di energia. Si tratta solo di una semplificazione ma utile per evitare di maneggiare potenze di 10 molto piccole.

• Carica elettrica: è una grandezza scalare e rappresenta la carica (positiva o negativa) posseduta da un corpo.

• Spin: È una caratteristica intrinseca di ogni particella. A differenza della velocità angolare di un corpo che viene misurata in uno spazio in cui vi è definita una metrica, lo spin non dipende dallo spazio in cui è immerso. E’ semplicemente della particella e identifica come si si comporta in presenza di campi magnetici. Si misura in multipli/sottomultipli della misura di Planck (di solito omessa).

Nei prossimi articoli faremo una breve introduzione ai campi, e ad alcuni concetti fondamentali che caratterizzano il mondo subatomico.