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.

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: I barioni sono adroni costituiti da tre quark. Il loro spin totale è semi-intero, il che li classifica come fermioni, in accordo con la statistica di Fermi-Dirac.
   • Mesoni: I mesoni sono adroni composti da un quark e un antiquark. La combinazione dei loro spin semi-interi può dare luogo a uno spin intero (0 o 1), quindi appartengono alla categoria dei bosoni.
2. Leptoni
   I leptoni sono particelle elementari, non composte da quark, e quindi non appartengono alla categoria degli adroni. Tutti i leptoni hanno spin semi-intero, il che li rende fermioni, e obbediscono al principio di esclusione di Pauli. Tra i più noti vi sono l’elettrone, il muone e il tau, ciascuno associato a un neutrino corrispondente: il neutrino elettronico, il neutrino muonico e il neutrino tau. I leptoni interagiscono tramite l’interazione debole e, se carichi elettricamente, anche tramite l’interazione elettromagnetica. Non partecipano invece all’interazione forte, a differenza degli adroni.

   Cosa sono i fermioni? I fermioni sono particelle con spin semi-intero (come 1/2​, 3/2​, ecc.) e obbediscono al principio di esclusione di Pauli, che impedisce a due fermioni identici di occupare simultaneamente lo stesso stato quantico. Possono essere elementari, come i quark e i leptoni (ad esempio l’elettrone), oppure composti, come i protoni e i neutroni, che sono adroni formati da tre quark. I fermioni costituiscono la materia ordinaria, a differenza dei bosoni, che sono spesso associati alle interazioni fondamentali (come il fotone o il gluone).

3. Particelle mediatrici ( o vettori di forza )
   Le particelle mediatrici sono i messaggeri delle quattro forze fondamentali della natura ossia i quanti dei campi associati alle quattro interazioni fondamentali della natura. A differenza dei fermioni, hanno uno spin intero e non seguono il principio di esclusione di Pauli. Quindi, possono occupare lo stesso stato quantico.
   • 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: Sono mediatori dell’interazione debole, che governa fenomeni come il decadimento beta. Sono massicci, e ciò rende l’interazione debole a raggio molto corto.
   • 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 ancora osservato sperimentalmente.
     

Riepilogando, 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.

Le stesse informazioni posso rappresentarle in una tabella a doppia entrata.

	Fermioni (spin semi-intero)	Bosoni (spin intero)
Leptoni	Esempi: elettrone, neutrino (particelle elementari)	❌ Non esistono leptoni bosonici
Adroni	Esempi: protone, neutrone (barioni: 3 quark)	Esempi: mesoni (quark + antiquark)
Bosoni fondamentali	❌ Nessun bosone fondamentale è un fermione	Esempi: fotone, gluone, W, Z, Higgs (mediatori delle interazioni)

In quest'altra tabella sono messe in evidenza le interazioni fondamentali.

Categoria	Spin	Statistica	Elementare?	Gravitazionale	Elettromagnetica	Forte	Debole
Leptoni	1/2	Fermi - Dirac	Sì	Sì	Solo i carichi	No ❌	Sì
Adroni (barioni)	1/2	Fermi - Dirac	No ❌	Sì	Solo i carichi	Sì	Sì
Adroni (mesoni)	0 o 1	Bose - Einstein	No ❌	Sì	Solo i carichi	Sì	Sì
Bosoni di gauge	1	Bose - Einstein	Sì	No ❌	Solo fotone, W	Solo gluone	W e Z
Bosone di Higgs	0	Bose - Einstein	Sì	Sì	No ❌	No ❌	Accoppiato

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

Il Modello Standard

Secondo il Modello Standard della fisica delle particelle, le particelle elementari si suddividono in due grandi categorie:

• I fermioni che costituiscono la materia.
• I bosoni, che sono i mediatori delle interazioni fondamentali.

Cos'è una particella elementare? Una particella si definisce elementare se è subatomica e non composta da costituenti più semplici. Esempi di particelle elementari sono i fermioni, come elettroni e quark, che rappresentano i mattoni fondamentali della materia ordinaria. I bosoni, invece, come il fotone o il gluone, sono associati alle forze fondamentali della natura. Ad esempio, i protoni e i neutroni, che compongono i nuclei atomici, non sono elementari, perché sono costituiti da quark up e down tenuti insieme dall’interazione forte e mediata dai gluoni.

Una proprietà fondamentale che distingue queste particelle è lo spin.

• I fermioni hanno spin semi-intero (come 1/2​)
• I bosoni hanno spin intero (come 0, 1 o 2, nel caso ipotetico del gravitone).

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

Lo spin determina il comportamento statistico delle particelle: i fermioni obbediscono alla statistica di Fermi-Dirac, mentre i bosoni seguono la statistica di Bose-Einstein.

Le particelle fondamentali

Il Modello Standard descrive 17 particelle fondamentali:

• 12 fermioni (quark e leptoni), suddivisi in 6 tipi di quark (up, down, charm, strange, top e bottom) e 6 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. I gluoni, pur essendo otto, sono considerati un'unica tipologia di bosone. 

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.

E così via.