Cromodinamica e quarks

Au cours des soixante dernières années, la recherche à révélé que gli hadrons comme les noyaux atomiques sont des états liés de quarks, d’antiquarks et de gluons. È rem remquable qu’une simple théorie de jauge, la chromodynamique quantique, soit à même de décrire les phénomènes compliqués que sont les interactions fortes et les forces nucléaires à l’œuvre dans ces systèmes. Dans cet article, Harald Fritzsch, l’un des pionniers de la chromodynamique quantique, évoque le développement de la théorie, dont les fondements ont été posés dans les travaux quéil à réalisés avec Murray Gell-Mann en 1972.

Fig. 1. SU(3) ottetto dei barioni dello stato fondamentale.

Circa 60 anni fa sono state scoperte molte nuove particelle, in particolare le quattro risonanze Δ, i sei iperoni e i quattro mesoni K. Le risonanze Δ, con una massa di circa 1230 MeV, sono state osservate nelle collisioni pion-nucleone in quello che allora era il Radiation Laboratory di Berkeley. Gli iperoni e i mesoni K sono stati scoperti in esperimenti di raggi cosmici. Murray Gell-Mann e Yuval Ne’eman riusciti a descrivere le nuove particelle in uno schema simmetria basata sul gruppo SU (3), il gruppo di unitarie 3 × 3 matrici con determinante 1 (Gell-Mann 1962 Ne’eman 1961) . SU (3) -simmetria è un’estensione della simmetria isospin, che è stata introdotta nel 1932 da Werner Heisenberg ed è descritta dal gruppo SU (2). Gli adroni osservati sono membri di rappresentazioni specifiche di SU (3). I barioni sono ottetti e decupletti, i mesoni sono ottetti e singoletti. L’ottetto barionico contiene i due nucleoni, i tre Σ iperoni, l’Λ iperone e i due Ξ iperoni (vedi figura 1). I membri del mesone ottetto sono i tre pioni, il mesone η, i due mesoni K ei due mesoni K.

Nel 1961 furono conosciute nove risonanze barioniche, comprese le quattro risonanze Δ. Queste risonanze non potrebbero essere membri di un ottetto. Gell-Mann e Ne’eman hanno suggerito che dovrebbero essere descritti da un decantatore SU (3) ma mancava una particella. Hanno previsto che questa particella, la Ω  , dovrebbe presto essere scoperta con una massa di circa 1680 MeV. Fu osservato nel 1964 al Brookhaven National Laboratory da Nicholas Samios e dal suo gruppo. Quindi le risonanze del barione erano membri di un decuplet SU (3). All’epoca non era chiaro il motivo per cui i membri della più semplice rappresentazione SU (3), la rappresentazione della tripletta, non fossero osservati negli esperimenti. Queste particelle avrebbero cariche elettriche non integrali: 2/3 o -1/3.

Il modello a quark

Nel 1964, George Zweig, studente di dottorato di Gell-Mann e Feynman, che lavorava al CERN, propose che i barioni e i mesoni fossero stati associati alle ipotetiche particelle di tripletto (Gell-Mann 1964, Zweig 1964). Gell-Mann chiamò le particelle di terzine “quark”, usando una parola che era stata introdotta da James Joyce nel suo romanzo Finnegans Wake  .Poiché i quark formano una tripletta SU (3), devono esserci tre quark: au quark (addebito 2/3), ad quark (addebito -1/3) e un quark s (addebito -1/3). Il protone è uno stato vincolato di due quark e un quark (uud). All’interno del neutrone ci sono due quark e uno u quark (ddu). L’iperone has ha la struttura interna uds. I tre Σ hyperons contengono il quark di uno e due o due o due quark (uus o dds). Gli Ξ iperoni sono gli stati associati us e dss. Il Ω  è uno stato vincolato di tre quark sss: sss. Gli otto mesoni sono stati legati da un quark e da un antiquark. Nel modello a quark, la rottura della SU (3) -simmetria può essere organizzata dal termine di massa per i quark. La massa dello strano quark è più grande delle masse dei due quark non strani. Questo spiega le differenze di massa tra l’ottetto barionico, il decuplettoarionico e il mesone ottetto.

Nell’estate del 1970, ho trascorso un po ‘di tempo all’Aspen Center of Physics, dove ho incontrato Gell-Mann e abbiamo iniziato a lavorare insieme. In autunno abbiamo studiato i risultati dello SLAC sulla diffusione inelastica di elettroni e nuclei atomici. Le sezioni trasversali dipendono dalla massa del fotone virtuale e dal trasferimento di energia. Tuttavia, gli esperimenti dello SLAC hanno scoperto che le sezioni trasversali a grandi energie dipendono solo dal rapporto tra la massa di fotoni e il trasferimento di energia – hanno mostrato un comportamento di scala, che era stato previsto da James Bjorken.


Gell-Mann Fritzsch

Negli esperimenti SLAC, l’elemento di matrice nucleon del commutatore di due correnti elettromagnetiche viene misurato a distanze quasi simili alla luce. Gell-Mann ed io pensavamo che questo commutatore potesse essere estratto dal modello a quark libero e abbiamo formulato l’algebra del cono di luce delle correnti (Fritzsch e Gell-Mann 1971). Usando questa algebra, potremmo capire il comportamento del ridimensionamento. Abbiamo ottenuto gli stessi risultati di Richard Feynman nel suo modello di parton, se i partoni sono identificati con i quark. In seguito si è scoperto che i risultati dell’algebra corrente del cono di luce sono quasi corretti nella teoria della QCD, a causa della libertà asintotica della teoria. Il Ω  è uno stato vincolato di tre quark strani. Poiché questo è lo stato fondamentale, la funzione onda-spazio dovrebbe essere simmetrica. I tre giri dei quark sono allineati per dare la rotazione dell’omega meno. Quindi la funzione d’onda di Ω  non cambia se due quark sono interscambiati. Tuttavia, la funzione d’onda deve essere antisimmetrica secondo il principio di Pauli. Questo è stato un grosso problema per il modello di quark.

Nel 1964, Oscar Greenberg parlò della possibilità che i quark non obbedissero alle statistiche di Pauli, ma piuttosto di una “parastatistica del rango tre”. In questo caso, non vi sono problemi con le statistiche di Pauli, ma non è chiaro se la parastatistica abbia senso in una teoria dei campi dei quark. Due anni dopo, Moo-Young Han e Yoichiro Nambu consideravano nove quark anziché tre. Le cariche elettriche di questi quark erano integrali. In questo modello c’erano tre quark: due avevano una carica elettrica di 1, mentre il terzo aveva una carica 0 – quindi in media la carica era 2/3. Il gruppo di simmetria era SU (3) × SU (3), che si riteneva fortemente rotto. I bosoni di gauge associati sarebbero enormi e avrebbero cariche elettriche integrali.

Nel 1971, Gell-Mann e io trovammo una soluzione diversa del problema statistico (Fritzsch e Gell-Mann 1971). Abbiamo preso in considerazione nove quark, come avevano fatto Han e Nambu, ma abbiamo ipotizzato che i tre quark dello stesso tipo avessero un nuovo numero quantico conservato, che abbiamo chiamato “colore”. La simmetria dei colori SU (3) era una simmetria esatta. Le funzioni d’onda degli adroni erano considerate singolose del gruppo di colori. Le funzioni dell’onda barionica sono antisimmetriche negli indici di colore, indicati con rosso (r), verde (g) e blu (b):

Quindi la funzione d’onda di un barione cambia segno se vengono scambiati due quark, come richiesto dal principio di Pauli. Allo stesso modo, le funzioni d’onda dei mesoni sono singoletti a colori:

La sezione trasversale per l’annichilazione di elettroni-positroni in adroni ad alte energie dipende dai quadrati delle cariche elettriche dei quark e dal numero di colori. Per tre colori questo porta a:

Senza colori questo rapporto sarebbe 2/3. I dati sperimentali, tuttavia, erano in accordo con un rapporto di 2.

Nel 1971-1972, Gell-Mann e io lavorammo al CERN. Insieme a William Bardeen abbiamo studiato il decadimento elettromagnetico del pione neutro in due fotoni. Era noto che nel modello a quark il tasso di decadimento è di circa un fattore nove in meno del tasso di decadimento misurato – un altro problema per il modello a quark. L’ampiezza di decadimento è data da un diagramma a triangolo, in cui una coppia di quark-antiquark viene creata virtualmente e successivamente si annulla in due fotoni. Abbiamo scoperto che dopo l’introduzione del colore, l’ampiezza di decadimento aumenta di un fattore tre: ogni colore contribuisce all’ampiezza con la stessa forza. Per tre colori, il risultato concorda con il valore sperimentale.


Fig. 2. La forte costante di accoppiamento in funzione energia.

Nella primavera del 1972, abbiamo iniziato a interpretare il gruppo di colori come un gruppo di gauge. La teoria del calibro risultante è simile all’elettrodinamica quantistica (QED). L’interazione dei quark è generata da un ottetto di bosoni di gauge di massa senza massa, che abbiamo chiamato gluoni (Fritzsch e Gell-Mann 1972). Successivamente, abbiamo introdotto il nome “cromodinamica quantistica”, o QCD. Abbiamo pubblicato i dettagli di questa teoria un anno dopo insieme a Heinrich Leutwyler (Fritzsch e altri 1972).

Nella QCD, i gluoni interagiscono non solo con i quark ma anche con se stessi. Questa interazione diretta gluone-gluone è importante – porta alla riduzione della costante di accoppiamento all’aumentare dell’energia, cioè la teoria è asintoticamente libera, come scoperto nel 1972 da Gerard ‘t Hooft (non pubblicato) e nel 1973 da David Gross, David Politzer e Frank Wilczek. Così ad alte energie i quark e gluoni si comportano quasi come particelle libere. Ciò porta al “comportamento di ridimensionamento” approssimativo delle sezioni trasversali nello scattering di lepton-adrofo inelastico profondo. I quark si comportano quasi come particelle libere ad alte energie. La diminuzione logaritmica della costante di accoppiamento dipende dal parametro scala energetica QCD, Λ, che è un parametro libero e deve essere misurato negli esperimenti. Il valore sperimentale corrente è:

Esperimenti allo SLAC, al DESY, al collisore di grande elettrone-positrone (LEP) del CERN e al Tevatron del Fermilab hanno misurato la diminuzione della costante di accoppiamento della QCD (figura 2). Con LEP, era anche possibile determinare la costante di accoppiamento QCD alla massa del bosone Z piuttosto precisamente:

 
Fig. 3. Due quark pesanti, collegati da una corda gluonica.

È utile considerare la teoria della QCD con un solo quark pesante Q. Il mesone di stato fondamentale in questo caso ipotetico sarebbe uno stato legato al quark-antiquark. Il potenziale effettivo tra il quark e il suo antiquark a piccole distanze sarebbe un potenziale di Coulomb proporzionale a 1 / r, dove r è la distanza tra il quark e l’antiquark. Tuttavia, a grandi distanze l’auto-interazione dei gluoni diventa importante. Le linee di campo gluoniche a grandi distanze non si diffondono come nell’elettrodinamica. Invece, si attraggono. Quindi il quark e l’antiquark sono collegati da una stringa di linee di campo gluoniche (figura 3). La forza tra il quark e l’antiquark è costante, cioè non diminuisce come nell’elettrodinamica. I quark sono confinati. È ancora una questione aperta se questo si applica anche ai quark leggeri.

Nell’annullamento dell’elettrone-positrone, il fotone virtuale crea un quark e un antiquark, che si allontanano gli uni dagli altri ad alta velocità. A causa della proprietà di confinamento, vengono creati mesoni, principalmente pioni, che si muovono approssimativamente nella stessa direzione. Il quark e il “frammento” antiquark per produrre due getti di particelle. La somma delle energie e dei momenti delle particelle in ciascun getto dovrebbe essere uguale all’energia del quark originale, che è uguale all’energia di ciascun leptone in collisione. Questi jet a quark furono osservati per la prima volta nel 1978 a DESY (figura 4). Erano già stati previsti nel 1975 da Feynman.


Fig. 4. Un evento con jet quark osservato a DESY.  Immagine di credito: Università di Oxford PPU.

Se una coppia di quark viene prodotta in annientamento di elettrone-positrone, la QCD prevede che a volte un gluone ad alta energia debba essere emesso da uno dei quark. Il gluone inoltre frammenterebbe e produrrebbe un getto. Quindi, a volte dovrebbero essere prodotti tre jet. Tali eventi sono stati osservati a DESY nel 1979 (figura 4).


Fig. 4b. Un evento a tre jet è un DESY. Immagine di credito: Università di Oxford PPU.

I quanti di base della QCD sono i quark e i gluoni. Due gluoni color ottetto possono formare un singoletto colorato. Un tale stato sarebbe un mesone neutrale di gluonium. Lo stato fondamentale dei mesoni di gluonium ha una massa di circa 1,4 GeV. Nella QCD con solo quark pesanti, questo stato sarebbe stabile ma nel mondo reale si mescolerebbe con neutri mesoni di quark-antiquark e decaderebbe rapidamente in pioni. Finora, i mesoni di gluonium non sono stati identificati chiaramente negli esperimenti.

I più semplici adroni a colori singleton in QCD sono i barioni – composti da tre quark – ei mesoni, fatti di un quark e un antiquark. Tuttavia, ci sono altri modi per formare un singoletto di colore. Due quark possono essere in un antitriplet – possono formare un singoletto di colore insieme a due antiquark. Il risultato sarebbe un mesone composto da due quark e due antiquark. Tale mesone è chiamato tetraquark. Tre quark possono essere in un ottetto a colori, così come un quark e un antiquark. Possono formare un adrone in tinta unita, composto da quattro quark e un antiquark. Un simile barione è chiamato pentaquark. Fino ad ora, i mesoni del tetraquark e i barioni del pentaquark non sono stati chiaramente osservati negli esperimenti. I tre sapori di quark sono stati introdotti per descrivere la simmetria data dal gruppo di sapori SU (3). Tuttavia, ora sappiamo che in realtà ci sono sei quark: i tre quark leggeri u, d, se i tre quark pesanti c (charm), b (bottom) e t (top). Questi sei quark formano tre doppietti del gruppo di simmetria elettrodebole SU (2):

Le masse dei quark sono parametri arbitrari in QCD, proprio come le masse di lepton sono in QED. Poiché i quark non esistono come particelle libere, le loro masse non possono essere misurate direttamente. Possono, tuttavia, essere stimati utilizzando le masse di adron osservate. Nella QCD dipendono dalla scala energetica in esame. I valori tipici delle masse di quark all’energia di 2 GeV sono:

La massa del quark t è grande, simile alla massa di un atomo d’oro. A causa di questa grande massa, il quark t decade dall’interazione debole con una vita inferiore al tempo necessario per formare un mesone. Quindi non ci sono gli adroni contenenti a quark.


Feynman

La teoria della QCD è la teoria del campo corretta delle interazioni forti e delle forze nucleari. Sia gli adroni che i nuclei atomici sono stati legati da quark, antiquark e gluoni. È notevole che una semplice teoria di gauge possa descrivere i complicati fenomeni delle forti interazioni.

La forza nucleare forte

L’elettromagnetismo è responsabile del mantenimento dell’elettrone all’interno dell’atomo e quindi, all’inizio, le persone pensavano che potesse anche essere responsabile del trattenimento delle particelle all’interno del nucleo degli atomi. Tuttavia, quando il fisico della Nuova Zelanda Ernest Rutherford scoprì che il nucleo di ciascun atomo contiene protoni, presto si rese conto che l’elettromagnetismo avrebbe dovuto far volare il nucleo, poiché i protoni sono respinti dalla carica positiva di altri protoni. È stato suggerito che il nucleo possa contenere anche elettroni, e questi devono essere coinvolti nel tenere insieme il nucleo. Ciò era in parte dovuto al fatto che erano le uniche altre particelle subatomiche conosciute al momento, e in parte perché gli elettroni sono talvolta emessi dal nucleo, nel decadimento beta.

Il fisico britannico James Chadwick scoprì che il nucleo di ciascun atomo contiene neutroni nel 1932. Poco dopo, il fisico ungherese-americano Eugene Wigner suggerì che la forza elettromagnetica non è coinvolta nel tenere insieme il nucleo, e che ci sono due diverse forze nucleari.Ora ci riferiamo a questi come le forze nucleari forti e deboli. La forza nucleare forte è la forza di legame nucleare, la forza che fornisce l’attrazione tra protoni e protoni, protoni e neutroni, neutroni e neutroni, mantenendo unito il nucleo degli atomi. La debole forza nucleare causa il decadimento beta. Si è pensato che la forza debole debba essere più debole della forza forte perché il decadimento beta è relativamente comune negli atomi, ma richiede molta energia per spezzare la forza forte e dividere il nucleo di un atomo.

Nel 1932, il fisico tedesco Werner Heisenberg suggerì che i protoni e i neutroni sono versioni cariche e neutre della stessa particella, il che spiega perché le loro masse sono così simili. Protoni e neutroni sono differenziati da una proprietà nota come spin isotopico o isospin, un termine coniato da Wigner nel 1937. Isospin è analogo allo spin. Si dice che i protoni abbiano isospin in senso orario e che i neutroni abbiano isospin in senso antiorario. La forza forte mostra la simmetria isospin, il che significa che influenza gli oggetti con diverse isospine nello stesso modo. Questo non è vero per la debole forza nucleare. Heisenberg ha inventato l’isospin come convenienza matematica, ma l’isospin ha dimostrato di essere una proprietà reale negli anni ’50, dopo che è stata scoperta un’altra proprietà intrinseca, conosciuta come stranezza.

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I quark, particelle elementari che costituiscono protoni e neutroni ed i gluoni, particelle responsabili dell’interazione forte. Filmato 1991 Cern

Hideki Yukawa e la prima teoria dei campi quantistici

Nel 1935, il fisico giapponese Hideki Yukawa ragionò che dal momento che le forze nucleari forti e deboli non erano mai state rilevate, dovevano agire su un intervallo inferiore al diametro del nucleo atomico. Questo ha suggerito che le particelle virtuali che trasmettono le forze nucleari devono avere una massa, a differenza dei fotoni, le particelle che trasmettono la forza elettromagnetica. Questo perché ci vuole più energia per produrre una massa virtuale con massa, e più energia è necessaria, meno tempo può esistere una particella virtuale secondo il principio di indeterminazione di Heisenberg, quindi il suo raggio corto. Yukawa sviluppò la prima teoria dei campi quantistici della forza forte, con particelle appena scoperte conosciute come “mesoni” che agiscono come la forza che trasporta particelle virtuali. Yukawa ha prodotto prove di mesoni in esperimenti in cui ha bombardato i protoni con i neutroni. Particelle di breve durata sono state emesse. Yukawa calcolò la loro durata massima, e quindi la loro massa minima, e li trovò almeno 200 volte più massicci dell’elettrone.

Nel 1936, i fisici americani Carl David Anderson e Seth Neddermeyer scoprirono un’altra nuova particella nella radiazione cosmica che sembrava avere una massa simile al mesone di Yukawa. Fu presto dimostrato che la nuova particella di Anderson penetrò la materia con troppa facilità, e quindi non era abbastanza grande da essere la stessa particella che Yukawa aveva predetto. È stato suggerito che potrebbero esserci due tipi di mesoni. La prima prova è arrivata nel 1947, quando il fisico brasiliano Cesar Lattes e il suo team hanno condotto un esperimento sui raggi cosmici ad alta quota. I loro risultati hanno mostrato che il mesone più pesante di Yukawa si decompone in quelli più leggeri di Anderson. La particella più pesante di Yukawa fu ribattezzata pi e divenne nota come pi-mesone o pione. La particella più leggera era chiamata mu e divenne nota come mu-meson o muone. Successivamente è stato dimostrato che il pione è composto da particelle più piccole ma il muone è una particella elementare con uno spin di 1/2, simile all’elettrone ma più massiccio. Non è più considerato un tipo di mesone.

Nel 1938, il fisico britannico Nicholas Kemmer aveva predetto che ci sono tre tipi di pioni: una pione neutrale e pioni con carica negativa e positiva. Questo era simile all’idea di Heisenberg che i protoni e i neutroni sono versioni caricate e neutre della stessa particella.

Numero quantico di stranezza

I fisici britannici George Dixon Rochester e Clifford Charles Butler scoprirono un’altra nuova particella nel 1947. Questo era il mesone K, o Kaon. I kaons furono prodotti in gran numero ma non decaddero rapidamente, e così furono soprannominati strane particelle. È stato suggerito che la forza nucleare forte debba essere coinvolta nel rallentare il loro decadimento. Nel 1953, erano stati scoperti almeno quattro tipi di strane particelle  e il fisico giapponese Kazuhiko Nishijima  e il fisico americano Murray Gell-Mann  hanno dimostrato indipendentemente che queste particelle hanno una qualità intrinseca, che hanno soprannominato “stranezza”. Alle particelle è stato quindi assegnato un numero di stranezza ( S ), che deve essere un numero intero. Successivamente è stato dimostrato che tutti i mesoni, incluse le strane particelle, sono composti da quark.

Acceleratori di particelle

I fisici volevano sparare particelle ai nuclei degli atomi per vedere di cosa sono fatti. I raggi cosmici non possono viaggiare attraverso l’atmosfera e le particelle emesse da materiale radioattivo non erano sufficientemente energetiche. L’energia cinetica è proporzionale alla velocità, e così i fisici hanno inventato gli acceleratori di particelle per creare particelle ad alta velocità e ad alta energia.

Acceleratore lineare: Una batteria è il più semplice acceleratore di particelle. Questo funziona perché la piccola tensione tra i suoi terminali (prodotta da un’estremità negativa e un’estremità positiva) produce un campo elettrico proporzionale. Una particella carica, un elettrone in questo caso, viene accelerata in questo campo e può quindi viaggiare lungo un filo. In un acceleratore lineare di particelle, la particella viene accelerata attraverso lo spazio tra tensioni diverse, ma una tensione alternata produce quindi un’altra lacuna, e viaggiano attraverso questo. È possibile aggiungere un numero sempre maggiore di spazi vuoti, rendendo la corsa delle particelle sempre più veloce. Il fisico norvegese Rolf Widerøe costruì il primo acceleratore lineare di particelle nel 1928.

Ciclotrone: Il fisico americano Ernest Lawrence e il suo studente laureato Milton Stanley Livingston inventarono un altro tipo di acceleratore di particelle, il ciclotrone, nel 1932. Un ciclotrone posiziona le particelle cariche in un campo elettrico alternato, che le fa accelerare. Un campo magnetico uniforme viene quindi posto perpendicolare a questo. Il campo magnetico produce una forza sempre perpendicolare alla velocità della particella, facendola cambiare continuamente direzione, che la fa muovere in un cerchio. Il raggio del cerchio aumenta man mano che le particelle diventano più veloci e questo fa sì che le particelle cariche si muovano a spirale. Si raggiungono velocità più elevate, maggiore è il campo magnetico e maggiore è il raggio del ciclotrone. I ciclotroni non possono accelerare gli elettroni a causa degli effetti relativistici, che rendono le particelle più difficili da accelerare quando si avvicinano alla velocità della luce.

Betatrone: Il betatron fu inventato dal fisico americano Donald Kerst nel 1940. Il betatron è come il ciclotrone, ma può accelerare gli elettroni utilizzando un campo magnetico variabile.

Sincrociclotrone: Il fisico americano Edwin McMillan sviluppò il sincrociclotrone nel 1945. Il sincrociclotrone è simile al betatron ma compensa gli effetti relativistici cambiando la frequenza del campo elettrico. Il sincrociclotrone fu presto superato dal sincrotrone.

Sincrotone: Il sincrotrone è stato teorizzato dal fisico russo Vladimir Veksler e costruito per la prima volta da McMillan lo stesso anno del sincrociclotrone. Il sincrotrone è simile al synchrocyclotron ma utilizza un campo magnetico che aumenta in forza man mano che la particella diventa più veloce. I magneti sono posizionati nel percorso delle particelle accelerate, piuttosto che attraverso l’intero dispositivo, e quindi i sincrotroni possono essere costruiti con raggi più grandi. Large Hadron Collider (LHC) del CERN è un acceleratore di tipo sincrotrone. Quando le particelle cariche sono costrette a viaggiare in un cerchio da un campo magnetico, emettono fotoni con un’energia correlata alla forza del campo e alla velocità della particella.

Il modello standard della fisica delle particelle: Bosoni e fermioni

Negli anni ’20, le particelle erano state divise in bosoni e fermioni, dove i bosoni hanno un numero intero di spin e i fermioni hanno un numero di spin frazionario. I fermioni obbediscono al principio di esclusione di Pauli  e i bosoni no. Alcuni atomi e particelle composte si comportano come bosoni e alcuni come fermioni, ma le particelle elementari devono essere l’una o l’altra. Tutti i bosoni elementari sono particelle che trasportano la forza, come i fotoni, e tutte le altre particelle elementari sono fermioni, come gli elettroni.

Diagramma che mostra il modello standard della fisica delle particelle. La materia è composta da leptoni e quark. Ci sono sei quark e sei leptoni. Ci sono anche quattro bosoni di gauge più il bosone di Higgs.
Il modello standard e il bosone di Higgs.

I fermioni elementari sono leptoni o quark

Il fisico belga Léon Rosenfeld coniò il termine “lepton” nel 1948, per descrivere i fermioni, come gli elettroni, che sono influenzati dalla forza nucleare debole ma non forte. Nei primi anni ’60, è stato dimostrato che le particelle di adrone non sono elementari. Nel 1961-1962, Gell-Mann e il fisico israeliano Yuval Ne’eman hanno unificatoficato gli adroni in base alla loro massa, carica, rotazione, isospin e stranezza, e indipendentemente hanno mostrato come si formano diversi adroni da combinazioni di 8 o 10 particelle elementari. Questi sono stati divisi in gruppi in base alla simmetria della loro stranezza e carica. Nel 1964, Gell-Mann e il fisico americano George Zweig ha mostrato indipendentemente che il sottogruppo più semplice contiene solo tre particelle, da cui sono stati costruiti gli ottetti e i decuplet. Gell-Mann chiamò questi quark particelle elementari e i tre tipi, o sapori, di quark furono nominati su e giù – per l’isospin a che portano – e strano – perché strane particelle contengono strani quark. E ‘stato trovato che:

  • Tutti gli adroni contengono quark e interagiscono tramite la forte forza nucleare.
  • Tutti i leptoni sono particelle elementari, non contengono quark e non sperimentano la forza forte.
  • Solo la forza debole può cambiare il sapore di un quark.
I diagrammi che mostrano gli adroni sono divisi in mesoni - fatti di un quark e un antiquark - e barioni, fatti di tre quark o tre antiquark. Kaons e pions sono mesoni, e neutroni e protoni sono barioni.
Diversi tipi di adroni.
Schema di un atomo, che mostra il nucleo composto da quark che formano protoni e neutroni. Gli stati testuali: "Se i protoni e i neutroni fossero larghi 10 cm, i quark e gli elettroni sarebbero inferiori a 0,1 mm e l'intero atomo avrebbe un diametro di circa 10 km".
La struttura dell’atomo.

I quark formano mesoni e barioni

Fu presto mostrato che i mesoni sono composti da un quark e un antiquark, e tutti gli altri adroni conosciuti, chiamati collettivamente barioni, sono fatti di tre quark.

  • I barioni sono fermioni, e quindi obbediscono al principio di esclusione di Pauli.
  • I mesoni sono bosoni e quindi non obbediscono al principio di esclusione di Pauli.

Un singolo protone è composto da tre quark e ha una carica di + 1 e la stessa carica di 1 elettrone, ma positivo piuttosto che negativo. Ciò implica che i quark hanno cariche di ± 2 / 3e o ± 1 / 3e I quark up hanno una carica di + 2 / 3e, e down e quark strani hanno una carica di -1 / 3e. Strani quark si distinguono dai quark down dalla loro massa.

  • Un protone è composto da due quark up e un quark down, che hanno una carica complessiva di + 1e.
  • Un neutrone è composto da un quark up e due quark down, che hanno una carica complessiva di 0.
  • I pioni caricati positivamente sono composti da un quark up e un quark antidown, che hanno una carica complessiva di + 1e.
  • I kaoni caricati positivamente sono composti da un quark up e un quark antistrange, che hanno una carica complessiva di + 1e.
  • I ka neutri sono composti da un quark down e un quark antistrange, che hanno una carica complessiva di 0.

Quark e colore

Nel 1964, lo stesso anno in cui furono teorizzati i quark, i fisici americani Oscar Greenberg e Yoichiro Nambu hanno dimostrato indipendentemente che i quark devono essere differenziati da qualcosa di diverso da spin, massa e carica. Questo perché sono state scoperte particelle composte interamente da quark dello stesso sapore. La particella omega, per esempio, è composta da tre quark strani, che dovrebbero essere proibiti dal principio di esclusione di Pauli. Greenberg e Yoichiro hanno suggerito che questa proprietà, che hanno chiamato colore, ha tre stati, che hanno chiamato rosso, verde e blu. Ci sono anche tre stati di antimateria: antired, antigreen e antiblue. I quark possono combinarsi solo in modo tale che non ci sia colore netto. Ciò avviene combinando tre diversi colori – nel caso dei barioni – o combinando un quark colorato con il suo partner anticolore – che avviene con i mesoni. Queste particelle si formano perché i quark di diversi colori sono attratti l’un l’altro e i quark dello stesso colore si respingono a vicenda. Il colore è analogo alla carica elettrica, e questa somiglianza ha portato all’idea che il colore potrebbe essere correlato alla forza nucleare forte nello stesso modo in cui l’elettromagnetismo è collegato ai fotoni. Le particelle virtuali che trasportano il colore, trasmettendo la forza forte, sono state chiamate gluoni.

Una nuova, corretta teoria quantistica del campo della forza nucleare forte fu ideata alla fine degli anni ’60 e all’inizio degli anni ’70, che Gell-Mann chiamò la cromodinamica quantistica (QCD). Qui, i quark si attraggono o si respingono scambiandosi gluoni e protoni e neutroni scambiano mesoni. Protoni e neutroni si attraggono a causa di una forza forte residua, in un modo analogo a come gli atomi neutri si attraggono a causa delle forze di van der Waals. Questa forza diminuisce con la distanza perché deve competere con la repulsione elettromagnetica dei protoni. La QCD differisce dall’elettrodinamica quantistica (QED) in quanto ci sono tre tipi di colore, a differenza dei due stati di carica elettrica e, a differenza dei fotoni, i gluoni possono interagire l’uno con l’altro. Questo perché hanno un colore loro stessi, trasportano miscele di colore e anticolore. Ci devono essere almeno otto tipi di gluone per fare tutti i cambiamenti di colore rilevanti. In contrasto con la previsione di Yukawa, i gluoni non hanno massa. Il breve raggio della forza forte è stato spiegato dai fisici americani David Gross e Frank Wilczek,e il collega fisico americano Hugh David Politzer,nei primi anni ’70. Gross, Wilczek e Politzer hanno dimostrato che la forza forte tra i quark aumenta man mano che si allontanano (l’opposto della forza di gravità, che diminuisce all’aumentare della distanza tra gli oggetti). Più un quark si sposta dalla sua origine, più appaiono i gluoni. Questo crea una forza più forte per tirarlo indietro, e quindi non è possibile dividere un barione o un mesone nelle sue parti costituenti.  Un quark può irradiare un gluone reale, piuttosto che virtuale, proprio come un elettrone può irradiare un fotone reale, ma non emergerà mai dal nucleo da solo. L’unico modo per un quark di lasciare il nucleo è se si combina con i quark o gli antiquark che emette mentre si allontana. Quando i quark sono sufficientemente vicini, ci sono meno gluoni e hanno la cosiddetta “libertà asintotica”.

La scoperta dei quark

I quark up, down, e strani sono stati creati dagli esperimenti di spargimento di elastomeri della Stanford University presso lo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) negli Stati Uniti, nel 1968. Qui, gli elettroni venivano sparati agli adroni, il percorso degli elettroni veniva analizzato e sembrava che stessero rimbalzando su tre piccoli nuclei di diverse masse. Questi sono stati identificati come quark nei primi anni ’70.

Diagramma di quark, dove la dimensione è rappresentativa della massa. Il quark top è il più grande e il quark down è il più piccolo.
Tutti e sei i sapori di quark, dove la dimensione rappresenta la massa. Un confronto tra il protone (nero) e un elettrone (rosso)

Hanno chiamato questo quark il quark charm perché erano contenti di trovare un partner per lo strano quark. Glashow, il fisico greco John Iliopoulos e il fisico di San Marino Luciano Maiani fornirono ulteriori prove nel 1970. I quark di fascino furono scoperti da due gruppi indipendenti di fisici delle particelle nel 1974, in esperimenti simili a quelli che dimostrarono l’esistenza dei quark su, giù e strani. I fisici giapponesi Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa predissero l’esistenza di due nuovi quark nel 1973, per spiegare la violazione di CP). Questi sono stati nominati in alto e in basso – come erano simili ai nomi su e giù – dal fisico israeliano Haim Harari nel 1975. Negli anni ’70, i fisici predissero che un plasma di quark e gluoni, che consiste di quark e gluoni asintoticamente liberi, potrebbe esistere. Un plasma di quark-gluone avrebbe dovuto esistere per 10 microsecondi circa dopo il big bang, e fu creato nel 2015 da fisici del CERN, che scoprirono che si comportava come un fluido.

Nel 2015, i dati del Large Hadron Collider (LHC) del CERN hanno mostrato la prova di una nuova classe di adroni composta da cinque quark – in particolare, due quark up, uno quark down, un quark charm e un quark anti-charm. Questi sono conosciuti come pentaquarks e possono essere composti da un mesone e un barione che sono legati debolmente insieme. Sono state scoperte oltre 200 particelle subatomiche, e tutte sono fatte da una selezione di sole 12 particelle, i 6 quark elementari e 6 leptoni elementari.

 

Referenze

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