Le origini della Fisica delle Particelle

5. La nascita del Modello Standard

 

di G. Batignani

Per completare l'argomento quark, occorre tuttavia effettuare almeno un cenno alla scoperta degli altri quattro quark (quelli pesanti). Resta sempre valido il fatto che nessun quark è mai stato osservato come una particella libera, per cui citerò gli esperimenti in cui sono state identificate, per la prima volta, le particelle che contengono i nuovi quark. La prima particella osservata, contenente il quark strano "s", fu addirittura scoperta nel 1947 dai fisici inglesi George Rochester e Clifford Butler. Essi osservarono in una"camera a nebbia icona_glossario " due particelle cariche (?+?-) che provenivano dal decadimento di una particella neutra (un K) e che formavano nel rivelatore una forma come la lettera "V". L'interpretazione venne dopo un certo numero di anni, grazie al lavoro di molti fisici teorici fra cui occorre ricordare Gell-Mann icona_biografia, Nishijima e Nèeman: si trattava di un mesone composto dalla combinazione sd_a oppure sd_b.

La prima particella contenente il quark "c" fu invece scoperta nel 1974 in modo simultaneo da due gruppi in due esperimenti completamente diversi: il primo diretto da Samuel C. C. Ting icona_biografia ed il secondo da Burton Richter icona_biografia, entrambi premi Nobel nel 1976. L'esperimento di Ting consisteva nell'utilizzare protoni di alta energia (fino a 30 GeV icona_glossario ) che incidevano su un bersaglio nucleare. Nell'urto si producevano delle coppie , che potevano manifestarsi in uno stato che rimaneva legato per un lungo periodo di tempo di massa 3095 MeV. Ting riuscì ad osservare i prodotti di decadimento di questa nuova particella, che fu da lui chiamata "J".

Nello stesso momento Richter, riprendendo a SLAC il lavoro iniziato a Frascati icona_linkesterno dal fisico Bruno Tousheck stava studiando l'annichilazione elettrone-positrone facendo collidere fasci di elettroni di energia E contro fasci di positroni icona_glossario di uguale energia. Nelle collisioni venivano prodotte, con una frequenza non molto elevata, insiemi di particelle leggere (come ad esempio i soliti mesoni ?). I valori di E che venivano esplorati con cura erano superiori a 1.5 GeV, questo perché le energie inferiori erano già state studiate in Italia, gia dagli anni '60 tramite la macchina "ADONE icona_glossario ". Non appena l'energia dei fasci arrivò vicino a 1.5475 + 1.5475 GeV (nota che la soma è esattamente 3095 MeV) il gruppo di Richter osservò che il numero di particelle prodotte salì di ordini di grandezza, per poi ripiombare a valori bassi non appena si risaliva in energia .Richter attribuì correttamente l'aumento del numero di eventi alla presenza di una particella, che chiamò ?, che era proprio lo stato chiamato J da Ting. La scoperta del quark b ricalca, tre anni dopo (1977) la scoperta della J fatta da Ting: veniva osservata una particella di massa circa 10 GeV e di lunga vita media icona_glossario. Tale particella verrà chiamata ? ed è uno stato legato .

La scoperta del quark è invece molto più recente (1995) ed è stata realizzata a Fermilab icona_linkesterno (Illinois) dal gruppo CDF icona_linkesterno, che ha una fortissima componente italiana, ed i cui leader storici sono Alvin Tollestrup (americano) e Giorgio Bellettini icona_biografia (di Pisa, ma che è stato in precedenza anche direttore dei laboratori di Frascati dell'INFN).

scienzapertutti_figura_13Come prima informazione, possiamo dire che c'è un salto enorme fra la struttura degli esperimenti ideati da Ting e che hanno permesso la scoperta del charm e del beauty, e gli esperimenti necessari per scoprire (e studiare) il top.

Lo schema di principio di un esperimento tipico per rivelare una J/? in coppie e +e- è riportato in figura 13.

Esso non differisce di molto da quello di figura 12, se non per l'inserimento di un calorimetro icona_glossario per distinguere gli elettroni dalle altre particelle (soprattutto pioni).

 

scienzapertutti_figura_14

 

scienzapertutti_figura_15


Invece il rivelatore CDF è un oggetto molto più complesso, in grado non solo di identificare il top, ma anche di effettuare ricerche e misure di altra fisica. Uno schema (pari ad un volume di 1/8 del rivelatore CDF) è mostrato in figura 14, mentre un "display" di un evento che contiene il top è mostrato in figura 15.

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