I quark

I quark sono le particelle che compongono i protoni e i neutroni. Sono l'elemento più piccolo della materia.

Chi ha scoperto i quark?

I quark sono stati teorizzati dal fisico statunitense Murray Gell-Mann nel 1960. Le prime conferme sperimentali arrivarono pochi anni dopo. Nel 1963 furono rilevati i primi quark ( up e down ).

Cosa sono i quark

Secondo Gell-Mann, il protone e il neutrone non sono unità indivisibili della materia, perché sono a loro volta composti da subparticelle più piccole dette quark.

I nucleoni ( protoni e neutroni ) che compongono il nucleo di un atomo, non sono veramente delle particelle fondamentali della materia, perché possono essere divisi in sottoparticelle.

Dove si trovano i quark

I quark non possono essere osservati singolarmente. Possiamo vederli soltanto quando si trovano all'interno di altre particelle elementari ( es. nucleoni ).

Perché i quark sono uniti tra loro in una particella?

In un nucleone i quark sono tenuti insieme dalla forza di interazione forte. Si tratta di una forza di tipo nucleare.

E' la stessa forza che mantiene uniti tra loro i nucleoni ( neutroni e protoni ) in un nucleo atomico.

Tutte le particelle elementari sono composte da quark?

No, soltanto alcune famiglie di particelle elementari sono formate da quark.

Esempio. Gli adroni sono composti da quark. E' la stessa famiglia delle particelle elementari a cui appartengono i nucleoni ed è suddivisa in due sottofamiglie: i barioni e i mesoni.

Quanti quark ci sono in una particella elementare?

Alcune particelle elementari hanno due quark mentre altre ne hanno tre.

I barioni ( neutroni, protoni, lambda, sigma, xi ) sono composti da tre quark, mentre i mesoni ( pione e kaone ) hanno soltanto due quark.

Quali sono le particelle elementari senza quark?

Alcune famiglie di particelle elementari non sono formate da quark.

I leptoni ( elettrone, neutrino, muone, tauone ) e le particelle mediatrici ( fotone, gluone, bosone e gravitone ) non sono composte da quark.

Quali sono le caratteristiche dei quark

Ogni quark ha una massa, una carica elettrica e un numero quantico di spin e colore. In base a queste caratteristiche sono stati individuati sei tipi di quark e a ognuno è stato associato un nome ( detto anche sapore ).

Cos'è il sapore dei quark

Il sapore indica una combinazione di valori ( numeri quantici ) del quark. I principali sapori dei quark sono i seguenti: Up, Down, Strange, Beauty, Charm, Top.

Nota. Il termine "sapore" non deve essere confuso con il significato fisico del sapore. Nel caso dei quark si tratta soltanto di un nome di fantasia per identificare le tipologie e alcune proprietà o caratteristiche distintive dei quark. Sono numeri quantici.

I quark sono organizzati in tre generazioni

Qual è la carica elettrica dei quark

Ogni quark ha una carica elettrica negativa o positiva.

Si tratta comunque di una carica elettrica frazionaria, pari a un terzo ( 1/3 ) oppure ai due terzi ( 2/3 ) della carica elettrica elementare di un elettrone.

La somma algebrica delle cariche elettriche dei quark è sempre un numero intero ( +1, 0, -1 ) e determina la carica elettrica del protone e del neutrone.

Alcuni esempi pratici

Un neutrone è composto da due quark Down ( -1/3 ) e un quark Up ( +2/3 ). La somma algebrica è zero ( 0 ). Infatti, il neutrone è una particella subatomica neutra, non ha una carica elettrica.

 

Viceversa, un protone è composto da due quark Up ( +2/3 ) e un quark Down ( -1/3 ). La somma algebrica è un numero positivo ( +1 ).

Per questa ragione, il protone ha una carica elettrica positiva.

Cos'è il numero di spin nei quark

Lo spin è un numero quantico che può essere positivo o negativo. I quark hanno uno spin semintero pari a +1/2.

Cosa significa spin?

Lo spin è la rotazione del quark su se stesso. E' pari a 1/2 se gira in un verso oppure a -1/2 se gira nel verso opposto.

Lo spin dei quark determina indirettamente lo spin e le proprietà magnetiche della particella.

Quali sono i colori dei quark

I colori dei quark sono blu, rosso e verde.

Non si tratta però di colori veri e propri, come si potrebbe pensare, ma di una proprietà aggiuntiva con un nome di fantasia ( colore ). Potrebbe chiamarsi in qualsiasi altro modo.

A cosa servono i colori nei quark?

Il colore serve a specificare come interagiscono tra loro i quark.

Nel corso del tempo ci si accorse che all'interno delle particelle alcuni quark avevano le stesse proprietà.

Questo fenomeno viola il principio di esclusione di Pauli, secondo il quale non possono esserci su uno stesso orbitale delle particelle con gli stessi numeri quantici. Almeno un numero quantico deve essere differente.

Lo stesso principio di Pauli si applica alle subparticelle ( quark ). Una particella non può essere composta da quark uguali. I quark devono essere differenti tra loro almeno in una caratteristica.

Per questa ragione furono aggiunti i colori ( rosso, blu, verde ) per indicare altre proprietà dei quark. Il colore è un numero quantico aggiuntivo.

Grazie a questa proprietà aggiuntiva la combinazione dei quark nelle particelle non viola il principio di Pauli.

Cosa sono gli antiquark

Per ogni quark esiste un corrispondente antiquark caratterizzato da proprietà opposte, da un antisapore e un anticolore.

Esempio. Il quark Up ha una carica elettrica pari a +2/3. Pertanto, l'antiquark Up ha una carica elettrica opposta, pari a -2/3. E così via.

Perché non possiamo osservare un quark libero

In natura non possiamo osservare un quark libero a causa di un fenomeno chiamato confinamento dei quark, previsto dalla teoria della cromodinamica quantistica (QCD).

I quark interagiscono tra loro tramite la forza forte, mediata da particelle chiamate gluoni, che agisce tramite la carica di colore. È come un tipo di "magnetismo" molto particolare che tiene i quark legati tra loro.

Nota. La regola d’oro è che le particelle devono essere "bianche", cioè neutre rispetto al colore. Quindi, nei barioni ci sono tre quark di colore diverso (rosso, verde e blu). Nei mesoni c'è un quark e un anti-quark complementare (es. verde e anti-verde). In entrambi i casi il risultato è neutro rispetto al colore. Se provassi ad avere due quark dello stesso colore, ad esempio entrambi verdi, non otterrei un sistema neutro ma uno stato "colorato" e i campi di colore diventerebbero enormi e instabili. La natura lo rimescola subito in una combinazione di colori che dia un totale bianco.

La forza forte non si comporta come la forza elettrica, che diminuisce con la distanza: più i quark si allontanano, più la forza aumenta.

È come se tra due quark ci fosse un elastico che tira sempre di più man mano che lo si tende. Se proviamo a separare due quark, l’energia immagazzinata nel “filo” di gluoni cresce rapidamente.

Quando l’energia supera una certa soglia, diventa energeticamente più conveniente creare una coppia quark-antiquark dal vuoto, piuttosto che lasciare che i quark si separino.

Il risultato è che invece di avere un quark libero, otteniamo nuove particelle composte (adroni), ad esempio mesoni o barioni.

Di conseguenza, non esistono osservazioni dirette di quark liberi in natura. Tutti i quark che osserviamo in natura sono intrappolati dentro particelle composte come protoni, neutroni, pioni, ecc.

Quindi, se vogliamo studiarli, dobbiamo farlo indirettamente, ad esempio tramite collisioni ad alta energia e osservando i getti di particelle prodotti.

Differenza rispetto alla carica elettrica. Nella QED (elettrodinamica quantistica), i fotoni che mediano la forza non hanno carica elettrica, per questo non interagiscono tra loro. Nella QCD, invece, i gluoni possiedono essi stessi carica di colore, quindi interagiscono tra loro, rendendo la forza forte molto più complessa e “autointerattiva”. I gluoni sono combinazioni di colore + anticolore. Ad esempio, un gluone rosso - anti-verde può trasformare un quark verde in un quark rosso, cambiando quindi il "colore" del quark. Questo scambio continuo di gluoni è ciò che "incolla" i quark dentro adroni come protoni e neutroni.

E così via.