Le particelle elementari

Le particelle elementari rappresentano il cuore della fisica moderna: sono i mattoni fondamentali da cui deriva ogni struttura materiale e immateriale dell’universo. Sono le unità indivisibili della materia.

Quali sono le particelle elementari

Nel XIX secolo si immaginava l'atomo come l'unità indivisibile della materia. Nel 1897 Thomson costrinse tutti a rivedere questa convinzione.

Thomson scoprì l'esistenza di particelle subatomiche di carica negativa in orbita intorno al nucleo dell'atomo. Si trattava degli elettroni.

L'elettrone è la prima particella subatomica ad essere stata scoperta dall'uomo.

Poiché l'elettrone rappresentava soltanto una minima parte della massa di un atomo e l'atomo era neutro, fin da subito era chiaro che dovessero esistere anche altre particelle subatomiche più massive e di carica positiva.

Nel 1911 un suo allievo, Ernest Rutherford, scoprì l'esistenza del nucleo e dei protoni. Pochi anni più tardi, nel 1932, furono scoperti anche i neutroni da James Chadwick.

All'inizio del '900 gli elettroni, i protoni e i neutroni erano le principali particelle elementari dell'atomo.

A questi si aggiunse il fotone, la particella elementare che veicola la luce. Anche il fotone è una particella elementare ed è priva di massa.

Un’altra pietra miliare fu la scoperta del positrone, antiparticella dell’elettrone, da parte di Carl Anderson, che confermò l’esistenza dell’antimateria.

Le antiparticelle

Negli anni '30 e '40 furono individuati anche l'anti-elettrone ( o positrone ) e l'anti-protone. Si cominciò così a parlare di antimateria.

Negli anni successivi furono ipotizzate, teorizzate e scoperte molte altre particelle elementari. Era nata la fisica delle particelle.

Le subparticelle ( o quark )

Negli anni '60 gli scienziati cominciarono a ipotizzare che le particelle elementari sono composte da subparticelle più piccole.

Per scoprire queste subparticelle era necessario accelerare a grandi velocità ( energia cinetica ) le particelle elettricamente cariche ( protoni o elettroni ) e farle scontrare tra loro per disaggregare la materia.

Per questa ragione furono realizzati i primi acceleratori di particelle ( lineari o circolari ) e ancora oggi se ne costruiscono altri più grandi e potenti.

Furono così scoperti i primi mattoni della materia, le vere particelle elementari, e furono chiamate subparticelle o quark.

Hanno una massa molto inferiore e, quindi, sono molto più difficili da individuare. Occorre impiegare un'enorme energia cinetica per vincere la forza di interazione che tiene uniti i quark.

Le particelle fondamentali

Si cominciò così a parlare di particelle fondamentali per distinguerle le particelle elementari divisibili ( protone e neutrone ) dalle particelle elementari non divisibili ( elettrone ).

Le famiglie di particelle elementari

Le particelle elementari sono classificate in tre categorie o famiglie:

1. Adroni
   Gli adroni sono particelle subatomiche composte da quark, tenuti insieme dall’interazione forte mediata dai gluoni. Gli adroni si dividono in due categorie principali:
   • Barioni: Composti da tre quark (ad esempio protoni e neutroni). Sono fermioni, poiché hanno spin semi-intero (risultante dalla combinazione degli spin dei quark).
   • Mesoni: Composti da un quark e un antiquark. Sono bosoni, poiché hanno spin intero (risultante dalla  combinazione degli spin dei quark). Quindi, mentre i barioni sono fermioni, i mesoni non lo sono.
2. Leptoni
   I leptoni sono particelle elementari e non composte, quindi non rientrano nella categoria degli adroni. Tutti i leptoni sono fermioni e hanno spin semi-intero. Tra i più noti troviamo l'elettrone, muone, tau, i rispettivi neutrini.Questi partecipano all’interazione debole e, in alcuni casi, all’interazione elettromagnetica, ma non subiscono l’interazione forte.

   Cosa sono i fermioni? I fermioni sono particelle elementari o composite che costituiscono la materia. Hanno spin semi-intero (ad esempio 1/2) e obbediscono al principio di esclusione di Pauli, che impedisce a due fermioni identici di occupare simultaneamente lo stesso stato quantico. Esempi di fermioni elementari sono i quark e i leptoni (come l'elettrone), mentre i protoni e i neutroni (entrambi adroni) sono fermioni composti.

3. Particelle mediatrici ( o vettori di forza )
   Le particelle mediatrici sono i messaggeri delle quattro forze fondamentali della natura. A differenza di adroni e leptoni, hanno uno spin intero e non seguono il principio di esclusione di Pauli.
   •  Fotone (γ): Mediatore dell’interazione elettromagnetica, è privo di massa e carica. È responsabile della luce e di tutti i fenomeni elettromagnetici.
   • Gluoni (g): Mediano l’interazione forte, mantenendo uniti i quark all’interno di protoni, neutroni e altri adroni.
   • Bosoni W e Z: Mediatori dell’interazione debole, sono particelle massicce che spiegano processi come il decadimento beta.
   • Bosone di Higgs (H): Responsabile del meccanismo che conferisce massa alle particelle elementari, scoperto nel 2012 grazie al Large Hadron Collider.
   • Gravitone (ipotetico): Supposto mediatore dell’interazione gravitazionale, non è ancora stato osservato.

Gli adroni compongono la materia visibile grazie ai barioni, mentre i leptoni includono particelle fondamentali come l'elettrone e i neutrini.

Infine, le particelle mediatrici sono essenziali per spiegare le interazioni che governano il comportamento delle particelle.

Nota. I leptoni e le particelle mediatrici sono anche particelle fondamentali perché sono indivisibili. Gli adroni, invece, sono particelle elementari divisibili ( non fondamentali ) perché sono composte da due o tre quark.

Il Modello Standard

Secondo il Modello Standard, queste particelle possono essere classificate in due categorie principali: fermioni, che costituiscono la materia, e bosoni, mediatori delle interazioni fondamentali.

Una particella elementare è definita come subatomica e indivisibile, non composta da altre particelle più semplici.

Ad esempio, i fermioni, come elettroni e quark, rappresentano le unità fondamentali della materia ordinaria. I bosoni, invece, come il fotone o il gluone, sono i responsabili delle forze fondamentali.

Un aspetto chiave è lo spin: i fermioni hanno spin semi-intero, mentre i bosoni hanno spin intero.

Questa proprietà distingue non solo la natura delle particelle, ma anche il loro comportamento secondo la statistica quantistica.

Il Modello Standard descrive 17 particelle fondamentali:

• 12 fermioni (quark e leptoni), suddivisi in sei tipi di quark (up, down, charm, strange, top e bottom) e sei leptoni (elettrone, muone, tau e i rispettivi neutrini).
• 5 bosoni, inclusi i mediatori delle interazioni elettromagnetica, forte e debole (fotoni, gluoni e bosoni W e Z), e il bosone di Higgs, fondamentale per spiegare l’origine della massa.

Ad esempio, i protoni e i neutroni, costituenti dei nuclei atomici, sono composti da quark up e down. L’interazione forte, mediata dai gluoni, tiene uniti questi quark.

Le particelle elementari e il Modello Standard rappresentano le fondamenta della fisica moderna.

Tuttavia, la strada verso una comprensione completa della realtà è ancora lunga.

Con lo sviluppo di tecnologie più avanzate, come gli acceleratori di particelle, il confine della nostra conoscenza continua a espandersi.

Quindi, in futuro ci saranno nuove scoperte e, forse, la realizzazione di un modello unificato dell’universo.

Oltre il Modello Standard

Il Modello Standard, sebbene straordinariamente accurato, presenta alcune lacune. Non include, ad esempio, la gravità. Diverse teorie cercano di superare questi limiti:

• Supersimmetria (SUSY): propone l’esistenza di particelle superpartner per ogni particella conosciuta.
• Teoria delle Stringhe: ipotizza che le particelle siano in realtà vibrazioni di minuscole stringhe.
• Gravitone: una particella ipotetica, mai osservata, che sarebbe il mediatore della gravità.

E così via.