La struttura del Nucleone: Pioni e Quark

Il nucleone è la particella subatomica che compone il nucleo atomico, cioè è un protone o un neutrone. Un’unica definizione per protone e neutrone deriva dal fatto che lo studio di tali particelle al livello di energia della forza nucleare forte porta a considerarle come due stati opposti di isospin della stessa particella. Il numero totale di nucleoni di un nucleo si dice numero di massa e si indica tradizionalmente con A. In un nucleo con Z protoni e N neutroni si ha A=Z+N, dove Z è il numero atomico ed N il numero neutronico. I nucleoni fanno parte della famiglia dei barioni, facenti parte a loro volta degli adroni. Sono quindi fermioni, caratterizzati da numero quantico di spin 1/2 e dall’isospin, e sono soggetti ad interazioni forti.

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L’atomo è composto principalmente da tre tipologie di particelle subatomiche (cioè di dimensioni minori dell’atomo): i protoni, i neutroni e gli elettroni. In particolare:

  • i protoni (carichi positivamente) e i neutroni (privi di carica) formano il “nucleo” (carico positivamente); protoni e neutroni sono detti quindi “nucleoni”;
  • gli elettroni (carichi negativamente) sono presenti nello stesso numero dei protoni e ruotano attorno al nucleo senza seguire un’orbita precisa (l’elettrone si dice quindi “delocalizzato”), rimanendo confinati all’interno degli orbitali (o “livelli energetici”).

Esistono in realtà anche atomi costituiti da particelle differenti, detti “atomi esotici”. Tali atomi hanno comunque una vita molto breve. In proporzione, se il nucleo atomico fosse grande quanto una mela, gli elettroni gli ruoterebbero attorno ad una distanza pari a circa un chilometro; un nucleone ha massa quasi 1800 volte superiore a quella di un elettrone. Avendo la stessa carica positiva, i protoni si dovrebbero respingere tra loro; ciò non avviene perché sono tenuti insieme dalla cosiddetta forza nucleare forte. La tabella seguente riassume alcune caratteristiche delle tre particelle subatomiche anzidette:

Particella Simbolo Carica Massa Note
Elettrone e -1,6 × 10−19 C 9,109 382 6 × 10−31 kg (0,51099 891 MeV/C²) Scoperto da Thomson in base alle esperienze sui raggi catodici di William Crookes. Con l’esperimento della goccia d’olio Millikan ne determinò la carica.
Protone p+ 1,6 × 10−19 C 1,672 623 1 × 10−27 kg (9,3828 × 102 MeV/C²) Scoperto da Ernest Rutherford con l’esperimento dei raggi alfa, la sua esistenza fu ipotizzata già da Eugene Goldstein, lavorando con i raggi catodici.
Neutrone n 0 C 1,674 927 29 × 10−27 kg (9,39565 × 102 MeV/C²) Scoperto da James Chadwick, la sua esistenza fu desunta a partire da contraddizioni studiate prima da Walther Bothe, poi da Irène Joliot-Curie e Frédéric Joliot.

Si definiscono due quantità per identificare ogni atomo:

  • Numero di massa (A): la somma del numero di neutroni e protoni nel nucleo.
  • Numero atomico (Z): il numero dei protoni nel nucleo, che, allo stato neutro, corrisponde al numero di elettroni esterni ad esso.

Per ricavare il numero dei neutroni si sottrae al numero di massa il numero atomico. Esiste una grandezza che ne quantifica la massa, definita massa atomica, espressa in unità di massa atomica (o u), dove una unità di massa atomica equivale alla dodicesima parte della massa di un atomo di carbonio-12 (12C). Il numero degli elettroni che ruotano attorno al nucleo è uguale al numero dei protoni nel nucleo: essendo le predette cariche di valore assoluto uguale, un atomo è normalmente elettricamente neutro e pertanto la materia è normalmente elettricamente neutra. Tuttavia esistono atomi o aggregati di atomi elettricamente carichi, chiamati ioni, che possono essere generati ad esempio da una dissociazione di entità molecolari inizialmente neutre; gli ioni possono essere quindi di carica positiva o negativa.

Gli atomi aventi lo stesso numero atomico hanno le stesse proprietà chimiche: si è dunque convenuto a definirli appartenenti allo stesso elemento.

Due atomi possono differire anche nell’avere numero atomico uguale ma diverso numero di massa: simili atomi sono detti isotopi ed hanno medesime proprietà chimiche. Ad esempio l’atomo di ha più isotopi: in natura infatti esso è presente in grande maggioranza come 1H (o Prozio, formato da un protone ed un elettrone) e in minore quantità da 2H (o deuterio, che è formato da un protone, un neutrone ed un elettrone) e 3H (o trizio, estremamente raro, formato da un protone, due neutroni ed un elettrone). Dal punto di vista chimico, idrogeno, deuterio e trizio presentano identiche proprietà.

La struttura del Nucleone: Pioni e Quark

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Sopra: i modelli del protone (a sinistra) e il neutrone (a destra). Queste particelle sono i nucleoni che sono i mattoni del nucleo atomico . I diagrammi illustrano la densità di carica. Al centro c’è il nucleo del nucleone, la regione con la più alta densità di carica, che è il nucleone vero e proprio. Questo è circondato da un guscio di carica elettrica dovuto alla formazione di pioni virtuali. Il guscio intermedio illustra il raggio a cui questa densità di carica dei pioni è massima, quindi scende a zero nel raggio esterno di ciascun nucleone. Ciò è ulteriormente illustrato nello schema seguente:
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Sopra: Sotto ogni modello viene fornita la trama corrispondente della densità di carica elettrica (data come probabilità radiale , riferita alla probabilità di trovare un pione in un dato punto – questo concetto è simile ai gusci di probabilità della carica elettrica dovuti agli elettroni nell’atomo ). Sull’asse orizzontale viene data la distanza dal centro del nucleone in femtometri. Si noti che sia per il protone che per il neutrone la carica elettrica è più densa nei nuclei e positiva. Questa carica di nucleo è dovuta al nucleone vero e proprio, sebbene sia nel protone che nel neutrone questo nucleo possa fluttuare tra l’essere un neutrone e un protone, come vedremo in seguito! Nella regione del guscio medio, dove la densità di carica dei pioni è maggiore, questo dà una gobba di carica positiva nel caso del protone e un’immersione di carica negativa per il neutrone.
Ciò indica che il nucleo del protone è circondato da carica elettrica a causa di pioni caricati positivamente mentre il nucleo di neutroni è circondato da pioni caricati negativamente . Pertanto, il protone è complessivamente carico positivamente , mentre il neutrone è complessivamente neutro (le cariche positive e negative si annullano). Si noti inoltre che la densità di carica scende gradualmente a zero in un raggio di circa 2 fm per il protone e 1,5 fm per il neutrone – il protone è leggermente più grande, probabilmente perché le cariche simili del nucleo del protone e del pione positivo si respingono leggermente ( anche se non abbastanza da superare le forti forze che li legano tra loro).
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Quali sono questi pioni e da dove vengono

I pioni sono in realtà pioni virtuali . Ciò significa che i singoli pioni non possono essere osservati come particelle definite e “reali”. Un protone o un neutrone crea costantemente ed emette pioni senza perdere energia o massa stessa. Così, l’energia viene creata, che sarebbe una violazione delle leggi della fisica – dal momento che la legge del risparmio energetico afferma che l’energia non può né essere creata né distrutta. Tuttavia, un principio di indeterminazione afferma che in linea di principio è impossibile misurare sia l’energia che il tempo di esistenza di una particella con precisione completa – più accuratamente si misura (energia o tempo) meno accurata diventa l’altra. 

Quindi, una grande quantità di energia può essere presa in prestito dal nulla (dal vuoto ) per un periodo di tempo così breve che questa energia non può essere misurata direttamente , fintanto che alla fine dei suoi tempi questa energia viene nuovamente distrutta – quindi le cose vanno anche fuori e nessuno nota davvero la violazione della conservazione dell’energia! Si noti che il principio di indeterminazione è un principio – non ha nulla a che fare con quanto accuratamente i nostri strumenti possano misurare le cose, piuttosto è una proprietà fondamentale del sistema che viene misurato.

Così un protone o un neutrone possono creare costantemente questi effimeri pioni virtuali non misurabili e riassorbirli poco dopo. Pertanto, i pioni vengono costantemente emessi e riassorbiti dai nucleoni, causando una nube di carica dei pioni che circonda ogni nucleone.

Questi pioni hanno tuttavia conseguenze reali e osservabili, anche se non possono essere catturati e osservati direttamente . Se le nubi di carica dei pioni di due nucleoni vicini (due protoni, due neutroni o un protone e un neutrone) si sovrappongono, come faranno quando sono impacchettati vicini nel nucleo molto denso di un atomo, un pione emesso da uno può essere assorbito dall’altro nucleone anziché dal nucleone emittente. Ciò non viola ancora il risparmio energetico nel lungo periodo in quanto ciò soddisfai requisiti del principio di indeterminazione. Ora se un nucleone trasferisce una pione virtuale a un nucleone vicino in questo modo, anche l’energia e il momento sono stati trasferiti. L’effetto di questo scambio di pioni virtuali è di produrre una forza tra i nucleoni. Questa forza lega i nucleoni nel nucleo e viene chiamata forza nucleare . È questa forza che impedisce ai protoni di respingersi a vicenda (come le cariche respingono) e impedisce al nucleo di disintegrarsi.

Questa forza nucleare è in qualche modo simile alla forza che mantiene gli elettroni legati all’atomo. Gli elettroni sono caricati elettricamente negativamente e quindi sono attratti dal protone caricato positivamente(Le cariche opposte si attraggono) – questa è la forza di Coulomb (elettromagnetica). Questa forza è anche dovuta allo scambio di particelle virtuali, ma non di pioni, piuttosto di fotoni virtuali. I fotoni sono particelle di luce (radiazione elettromagnetica) e: lo scambio di fotoni virtuali tra particelle cariche elettricamente produce una forza attrattiva se le particelle hanno carica opposta (positiva e negativa) o una forza repulsiva se le particelle hanno cariche simili (sia positive sia negative) 

In questo modo i protoni scambieranno sia i fotoni virtuali che i pioni virtuali l’uno con l’altro. I fotoni virtuali saranno anche scambiati tra un nucleo carico e la nube di pioni all’interno del nucleone. La forza dovuta alo scambio di pioni è il più forte dei due, tuttavia è a corto raggio. Quando due protoni sono molto distanti, la forza di Coulomb domina e si respingono a vicenda, ma quando sono vicini tra loro nel nucleo, la forza nucleare domina e i protoni sono legati insieme. La gamma di tali forze dipende dalla massa della particella virtuale scambiata, le particelle più leggere producono forze a distanza più lunga, – il fotone è senza massa e quindi è a lungo raggio, mentre il pione è pesante e quindi la forza nucleare è a corto raggio (di l’ordine del diametro nucleare, quindi abbiamo familiarità con la forza di Coulomb nella vita di tutti i giorni, come l’attrazione elettrostatica tra i capelli e un pettine carico. la forza nucleare viene sperimentata solo a distanze inferiori all’atomo, sulla scala delle dimensioni del nucleo atomico !

Struttura del nucleone, i quarks

La struttura del nucleone (o del nucleone proprio, se si considera che la nuvola di pioni circonda il nucleone anziché essere parte di esso) consiste in particelle chiamate quark. I quark sono disponibili in una varietà di sapori o tipi. Il protone e il neutrone sono composti da tre quark di due diversi sapori . Il protone è composto da due up-quark e uno down-quark e quindi può essere scritto: uud. Il neutrone è composto da un up-quark e due down-quark e quindi può essere scritto udd. Up-ness e down-ness sono due sapori di quark trasportati rispettivamente con up-quark (u) e down-quark (d). Gli altri sapori di quark sono stranezza (strano o s-quark), fascino (incantato o c-quark), bellezza (fondo o b-quark) e verità (top o t-quark). Naturalmente i “sapori” di quark non sono aromi nel senso gustativo della parola (!), Sono semplicemente tipi di quark caratterizzati da diversi numeri quantici (cioè sono quark in diversi stati quantici).

I quark sono disponibili in tre colori : rosso, blu e verde . Ancora una volta questo non è il colore che possiamo vedere (i quark sono molto più piccoli della lunghezza d’onda della luce e quindi sono invisibili alla luce e quindi non hanno colore nel solito senso). Tuttavia, essi hanno una carica di colore, analoga alla carica elettrica, tranne che non è elettricità e perché ci sono tre “segni” di queste cariche (piuttosto che due – positivo e negativo, in elettricità) il termine carica del colore sembra appropriato dal colore gli schemi sono basati su tre colori primari. Quindi un quark ha una unità di carica rossa, verde o blu. Quindi, abbiamo 6 sapori e 3 colori, dando 18 diversi tipi di quark (ogni sapore è disponibile in tre colori diversi ). Ci sono anche 18 antiquark, l’equivalente di antimateria dei quark (sì, l’antimateria è reale!), ognuno dei sei anti-sapori (anti-up, anti-down, anti-strano, anti-charm, anti-top e anti-bottom) e di tre anti -colori (antired, antiblue e antigreen, a volte chiamati ciano, giallo e magenta. Questo ci dà 36 tipi di quark in tutti (18 quark più 18 anti-quark).

Confinamento del colore

quark non sono mai stati assolutamente osservati come particelle singole, piuttosto si verificano solo come coppie di quark / anti-quark (mesoni) o in gruppi di tre come nel nucleone.Inoltre, devono combinarsi in modo tale che i loro colori si annullino.Così, nel nucleone, dobbiamo avere un quark rosso, un verde quark e un quark blu poiché questi tre colori primari si annullano per dare il bianco (in termini di luce). Un quark rosso può anche raggiungere il confinamento del colore accoppiandosi con un anti-quark anti-rosso. Confinamento del colore è un nome appropriato, dal momento che il colore non può essere rilevato in quanto è limitato a una miscela che dà il bianco.

I quark trasportano anche la carica elettrica , in modo che si scambino i fotoni virtuali l’uno con l’altro quando sono abbastanza vicini, come in un nucleone. Tuttavia, i quark scambiano anche un altro tipo di particella virtuale l’uno con l’altro, questa particella virtuale è chiamata gluone. I quark trasportano + 2/3 unità di carica elettrica (u, ce t quark) o – 1/3 di carica elettrica (quark d, s eb). Nel protone abbiamo + 4/3 di carica elettrica da due quark u e – 1/3 da un quark d, dando (4/3 – 1/3 = 3/3 / = 1) 1 carica elettrica complessiva, l’elettrico carica del protone. Nel neutrone abbiamo udd, dando +2/3 -1/3 -1/3 = 0 carica elettrica, quindi nel complesso il neutrone è elettricamente neutro.

Il modello seguente mostra un nucleo di nucleone costituito da tre quark di carica di colore opposto (mostrati come rosso, verde e blu a scopo illustrativo) incorporati in una sfera di fotoni e gluoni virtuali che i quark emettono e riassorbono costantemente e si scambiano tra loro. Poiché i fotoni possono muoversi oltre i gluoni (i gluoni hanno massa e quindi danno origine a una forza a corto raggio) alcuni fotoni virtuali saranno anche scambiati con altri nucleoni (se sono entrambi protoni) e con qualsiasi elettrone che orbita intorno al nucleo di un atomo che il protone potrebbe appartiene a. Al contrario, la forza a corto raggio prodotta dallo scambio di gluoni ha solo effetto sul diametro del nucleo del nucleone.La forza generata dallo scambio di gluoni tra i quark è chiamata forza forte. È molto forte, ma anche a corto raggio.

Qual è la differenza tra la forza nucleare e la forza forte? 

Alcuni di voi potrebbero aver sentito parlare dei nuclei leganti di forza nucleare forti insieme e che la forza forte è convogliata dai gluoni. Potrebbe averti confuso, quindi, nel leggere le informazioni relative allo scambio di pioni per la forza nucleare. I pioni sono mesoni e quindi sono costituiti da un quark e un anti-quark legati insieme dallo scambio di gluoni e dalla forza forte. (Anche se i quark costituenti cambieranno anche i fotoni virtuali dando origine a una forza (elettrica) di Coulomb). Quando un nucleone emette un pione virtuale, il pione trasmette il suo quark interno e anti-quark al nucleone assorbente. Ricorda che la pione viene creata “dal nulla” e quindi i suoi quark e antiquark sono appena creati e quando vengono assorbiti dal nucleone ricevente vengono nuovamente distrutti (evitando la violazione della conservazione dell’energia). La forza che dà origine al pione è in realtà la forza forte mediata dai gluoni (presumibilmente un gluone si trasforma in un quark più un antiquark, che può successivamente annientarsi in gluoni). In modo analogo, i fotoni (tramite la forza elettromagnetica) possono dare origine a un elettrone (caricato negativamente) e un anti-elettrone (positrone – caricato positivamente) che può anche annientarsi nuovamente nei fotoni. In sostanza, quindi, i gluoni sono indirettamente responsabile per la forza nucleare – sono convertiti in pioni che consentono loro di percorrere distanze superiori al diametro del nucleone e equivalenti al diametro nucleare. All’arrivo il pione non è imballato dall’annientamento di quark / anti-quark. La forza nucleare è forte, ma è il risultato indiretto della vera forza forte che agisce tra i quark ed è mediata dai gluoni. Il colore è la vera interazione forte di quale sia la carica elettrica per l’interazione elettromagnetica .

Tre tipi di pioni

Esistono tre tipi di pioni, tutti coinvolti nella forza nucleare. Un neutrone può emettere un pione caricato negativamente, trasformandosi in un protone mentre lo fa (formando un neutrone con una carica positiva nucleo del protone circondato da un campo o da una nuvola di pioni caricati negativamente). Un protone ricevente può quindi assorbire questo pione negativo e trasformarsi in un neutrone. Il risultato finale è che il protone e il neutrone hanno cambiato identità: il protone è diventato un neutrone e viceversa! Questa reazione è mostrata sotto, usando entrambi i simboli: p per protone, n per neutrone e greco pi per pione (più segno di carica) e come costituenti del quark : udd = p, uud = n e il pione negativo è un quark down accoppiato con un quark anti-down. Una barra sopra un simbolo di quark indica un anti-quark.

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Sopra un neutrone diventa un protone e un pione negativo, e un protone vicino assorbe questo pione per diventare un neutrone. Si noti che il risultato netto è la creazione di una coppia up-quark e una coppia di quark anti-up, gli up-quark (u) di swap per un quark down (d) nel neutrone, trasformando il neutrone in un protone. I quark down e anti-up formano una pione negativa che viene assorbita da un protone vicino e quindi il quark anti-up si annichilisce con un quark up nel protone ricevente, che quindi assorbe il restante d-quark, convertendo il protone da uud a udd, cioè in un neutrone. 

L’equazione sotto mostra un processo simile, in cui un protone emette un pione positivo, trasformandosi in a neutrone, e quindi il pione viene assorbito da un neutrone ricevente, trasformandolo in un protone. Essenzialmente una coppia di anti-down quark /antiquark è stata prodotta vicino al protone del donatore e annientata vicino al neutrone ricevente. Questa è la produzione di coppie di quark / anti-quark e annientamento . I quark possono essere prodotti solo dal nulla come tali coppie. Si noti che un protone non può emettere un pione negativo e un neutrone non può emettere una pione positiva – anzi tali pioni vengono distrutti vicino a tali nucleoni.

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Sia i neutroni che i protoni possono emettere una pione con carica neutra, che consiste in una coppia di quark down e anti-down. Il pione non scambia necessariamente il suo quark con il nucleone emittente in questo caso (anche se se lo facessimo non potessimo dirlo comunque!) E quindi questo corrisponde alla produzione e all’annientamento della coppia d / anti-d . Questi due processi sono mostrati sotto, per un neutrone donatore e un protone donatore. Si noti che il nucleone ricevente potrebbe essere o un protone o un neutrone in entrambi i casi (anche se solo un esempio di queste due possibilità sono mostrate) – non fa differenza poiché il destinatario non è un cambiamento e i pioni neutri possono essere emessi e distrutti da entrambi i tipi di nucleone. Di seguito sono riepilogate alcune delle proprietà delle particelle menzionate in questa sezione.

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Riepilogo dei tipi di quark

La tabella seguente elenca alcune proprietà chiave dei diversi sapori dei quark. I quark dello stesso sapore ma con un colore diverso sono indistinguibili se non per la loro carica di colore. Quark Massa carica elettrica (MeV / c ^ 2)

u 2/3 1,5-4
d -1/3 4-8

c 2/3 1150 – 1350
s -1/3 80-130

t 2/3 169100-172700
b -1/3 4100-4400

Annotare l’intervallo in valori di massa a causa di incertezze. Si noti inoltre che la massa è data in unità di MeV / c ^ (mega elettronvolt diviso per la velocità della luce al quadrato). Talvolta questa massa viene chiamata “massa di riposo” (poiché la massa apparente di un oggetto aumenta all’aumentare della sua velocità) sebbene questo termine venga usato raramente in questi giorni. Per mettere questo in prospettiva, il protone ha una massa di 938,3 MeV / c ^ 2 o 1,67 x 10 ^ -27 kg (0,000 000 000 000 000 000 000 000 00167 kg) con tali minuscole masse le unità di MeV / c ^ 2 sono chiaramente di più conveniente! L’elettronvolt è in realtà un’unità di energia e il mega-elettronvolt è un milione di elettronvolt. (L’elettronvolt è la quantità di energia cinetica acquisita da un singolo elettrone libero quando passa attraverso una differenza di potenziale elettrostatico di un volt, nel vuoto. Equivalentemente, è uguale a un volt volte la carica (senza segno) di un singolo elettrone) . Tuttavia, la famosa equazione di Eisntein della relatività speciale è: E = mc ^ 2 (l’energia è uguale alla massa moltiplicata per la velocità della luce al quadrato) e ci dice che l’energia divisa per la velocità della luce al quadrato (c ^ 2) equivale alla massa, quindi il unità MeV / c ^ 2.

Barioni

Ogni barione è composto da tre quark. I nucleoni e alcune delle loro proprietà sono riportati nella seguente tabella:

Baryon Carica elettrica Stabilità Quark costituenti Massa (Mev / c ^ 2)

p +1 stabile uud 938.3
n 0 instabile udd 939.6

Sorprendentemente il neutrone è instabile e decade dopo circa dieci minuti , ma solo quando è gratuito. All’interno di un nucleo atomico è abbastanza stabile (forse perché non esiste da molto tempo prima di trasformarsi in un protone?). Ci sono altri barioni che sono molto instabili, e menzioneremo questi altri tempi.

Mesoni

I pioni appartengono a una classe di particelle chiamate mesoni. I mesoni sono tutte coppie di quark / anti-quark.

Mesone Carica elettrica Stabilità Quark costitutivi Massa (MeV / c ^ 2)

neutro-pione 0 instabile d anti-d 135.0 pionere
-positivo +1 instabile u anti-d 139,6
pione-negativo -1 instabile d anti-u 139,6

Ancora, ci sono altri mesoni. Mesoni e barioni sono conosciuti come adroni.

Leptoni

L’elettrone e il suo equivalente anti-materia il positrone appartengono a una classe di particelle chiamate leptoni. Il tauon, muon e tre tipi di neutrino sono gli altri membri del gruppo lepton. i leptoni, come i quark, sono particelle fondamentali – cioè sembrano indivisibili – non sono costituiti da costituenti più piccoli per quanto possiamo dire, ma sono elementi costitutivi fondamentali o particelle elementari. Gli adroni, al contrario, sono costituiti da piccoli costituenti – i quark.

Gluoni

gluoni mediano la forza forte, piuttosto come i fotoni mediano la forza elettromagnetica, ma mentre i fotoni non hanno carica elettrica, i gluoni portano carica di colore. Ciò complica notevolmente le cose (rende le equazioni matematiche che governano equazioni non lineari e non lineari sono difficili da risolvere e può avere soluzioni complicate). I gluoni contengono anche anti-colore, quindi ci sono otto tipi possibili di gluoni:

1. Rosso / anti-verde 
2. Rosso / anti-blu 
3. Verde / anti-rosso 
4. Verde / anti-blu 
5. Blu / anti-rosso 
6. Blu / anti-verde 
7,8. Invece delle restanti tre combinazioni ovvie: rosso / anti-rosso, verde / anti-verde e blu / anti- blu ci sono altri due tipi di gluoni che sono combinazioni di questi tre. 

Questo è spesso il caso della meccanica quantistica e si pone per ragioni matematiche. In effetti è anche un principio fisico della meccanica quantistica che le particelle possono esistere in una combinazione di stati e sorgere semplicemente perché ciascuna lo stato si comporta come un’onda e poiché è possibile combinare le onde, è possibile combinare determinati
stati quantici. 


Probing Nucleon Structure – un aspetto più profondo

Per vedere le cellule viventi si usa un microscopio ottico, in grado di rilevare comodamente strutture di un millesimo di millimetro (un micrometro). Per un maggiore ingrandimento, necessario per vedere i dettagli degli organelli all’interno delle cellule, si userebbe un microscopio elettronico. I microscopi elettronici possono essere comodamente utilizzati per osservare strutture di poco meno di 10 milionesimi di millimetro (10 nanometri). Questo è ancora 100 volte più grande di un atomo tipico (diametro atomico intorno a 0,1 nanometri). Gli atomi individuali diventano semplicemente rilevabile con microscopi elettronici ad altissima risoluzione. I microscopi elettronici contengono colonne di diversi metri di altezza e richiedono una serie di controlli del computer. Usano fasci di elettroni invece di fasci di luce . Tuttavia, un atomo è ancora circa 100.000 volte più grande di un nucleo atomico! Per sondare tali strutture e persino singoli nucleoni e quark, i fisici delle particelle usano acceleratori di particelle.Acceleratori di particelle allo stato dell’arte sono enormi costruzioni sotterranee. I Linac sono degli acceleratori di particelle lineari : sparano un fascio di particelle in linea retta da un’estremità all’altra. Il raggio consiste di particelle cariche, come protoni o elettroni, che possono essere accelerate da potenti magneti. Tuttavia, questo raggio può essere utilizzato per generare un raggio secondario di altri tipi di particelle, comprese le particelle non cariche che non possono essere facilmente accelerate, ma continuano con la quantità di moto generata dal fascio principale caricato.I sincrotoni sono strutture circolari, che consentono al raggio primario caricato di spostarsi ulteriormente in accelerazione poiché viene accelerato per diversi circuiti (fino a quando l’energia che perde intorno alle curve ad alta velocità annulla qualsiasi ulteriore guadagno possibile e il raggio colpisce la sua massima energia). La costruzione di sincrotoni di diametro maggiore riduce la perdita di energia e consente di accelerare i raggi a energie più elevate. The Large Hadron Collider (LHC) a causa di accendere quest’anno al CERN, è di 27 chilometri di circonferenza. L’LHC è un collisore, il che significa che è usato in esperimenti in cui due fasci si scontrano l’uno nell’altro, al contrario di una macchina a bersaglio fisso, che spara al di sopra di un bersaglio fermo. I collider sono i più efficienti nel separare particelle nelle loro particelle costituenti. L’LHC sarà l’acceleratore di particelle più potente al mondo.

Quando un elettrone ad alta velocità altamente energetico collide con un nucleo, come il nucleo di deuterone (idrogeno pesante) che consiste in un singolo neutrone e un singolo protone legati insieme, il protone cattura un fotone virtuale emesso dall’elettrone. Questo fotone virtuale trasmette lo slancio, e possibilmente energia, al nucleo. L’elettrone, avendo perso parte del suo impulso nel fotone emesso, viene deviato e colpisce un rivelatore. Misurando l’angolo di deflessione e conoscendo le energie coinvolte, è possibile capire con cosa si scontrano esattamente gli elettroni. Questo ci permette di determinare il numero di particelle che formano un nucleo o un nucleone. Per l’elettrone in collisione con un nucleo di deuterio (un deuterone) rileviamo due costituenti: il protone e il neutrone. Tuttavia, quando sondiamo un singolo nucleone più da vicino, l’elettrone può colpire uno qualsiasi dei tre quark di valenza primari, questi sono i tre quark che rappresentano molte delle proprietà osservabili del nucleone, come la sua carica elettrica, e sono i quark uud nel protone e udd nel neutrone. Tuttavia, è anche possibile rilevare collisioni con altri bersagli multipli, questi sono i quark e gli antiquark emessi dai nucleoni e costituiscono i quark marini – formano una sorta di “mare” che bagna i quark di valenza. La maggior parte di queste sono coppie di quark / antiquark di massa bassa , come i quark u e d che formano i campi pion attorno ai quark valence. Strani, s, quark e loro antiquark possono anche essere prodotti dal nucleo del nucleone e questi possono collidere con l’elettrone.

Meno frequenti (a basse energie) sono collisioni con i più grandi quark c, b, t. Questi massicci quark hanno bisogno di “prendere in prestito” più energia e quindi non emettono spontaneamente tanto spesso come u, d o s quark (o percorrono una distanza più breve prima di essere riassorbiti, in modo da evitare la violazione del risparmio energetico – ricorda che massa ed energia sono collegate da E = mc ^ 2). Queste collisioni diventano più distinguibili a energie più alte, dove l’elettrone può entrare in collisione con un quark con tale forza che il quark rilascia un gluone con energia sufficiente a produrre una coppia di quark / antiquark pesanti, come b / anti-b. In breve, tutti i sapori di quark e antiquark danno un contributo alla struttura del nucleone, anche se i quark più leggeri danno il maggior contributo. Tutti questi quark e antiquark sono chiamati collettivamente partoni , poiché formano parte del nucleone.

Ci sono anche altri obiettivi. Circa il 50% della quantità di moto di un nucleone è bloccato in amare di gluoni che i quark e gli antiquark emettono e riassorbono costantemente. Questi gluoni sembrano troppo innumerevoli da contare, come lo sono i quark marini (e il loro numero presumibilmente fluttua mentre vanno e vengono).

Piuttosto che usare gli elettroni (e i loro fotoni virtuali) come sonde della struttura del nucleone, ulteriori informazioni si ottengono usando un fascio secondario di particelle chiamato neutrini . I neutrini non hanno carica elettrica e pochissima (se esiste) massa. I neutrini hanno la proprietà utile di essere in grado di scontrarsi con i quark d ma non con i quark, mentre gli antineutrini possono scontrarsi con i quark ma non con i quark. Questo ha permesso l’elettrico carica dei quark u e d da determinare e permette di sondare i costituenti del gluone.

Referenze:

  1. IUPAC Gold Book, “nucleon”
  2. Paolo Silvestroni, Fondamenti di chimica, 10ª ed., CEA, 1996, ISBN 88-408-0998-8.
  3. (EN) Geoffrey Frank Liptrot, J. J. Thompson, G. R. Walker, Modern Physical Chemistry, HarperCollins Publishers Limited, 1982, ISBN 0-00-322318-3.
  4. R. Barbucci, A. Sabatini, P. Dapporto, Tavola periodica e proprietà degli elementi, Firenze, Edizioni V. Morelli, 1998. (archiviato dall’url originale il 22 ottobre 2010).
  5. lospecchiodieva, Poema degli atomi- Rumi, su lospecchiodieva.wordpress.com. URL consultato il 13 marzo 2016.