0300. Le particelle elementari sono state tutte osservate sperimentalmente?


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Ho seguito il percorso divulgativo di SxT sulle particelle elementari, e mi chiedevo se le particelle mediatrici di forza siano state tutte osservate sperimentalmente o siano state soltanto dedotte da esperimenti dedicati ad altro o solo ipotizzate, e come si sia riuscito a determinarne la carica elettrica (positiva, negativa o neutra). (Francesco) ( 2181)



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La forza che si esercita fra protoni icona_glossario e neutroni icona_glossario all’interno del nucleo icona_glossario è denominata interazione forte . Nel 1935 Il fisico giapponese Yukawa icona_biografia premio Nobel per la Fisica nel 1949, ipotizzò che tale forza fosse mediata icona_glossario tramite una particella di massa diversa da zero, denominata pione π icona_glossario. In genere la massa della particella mediatrice è correlata alla zona nell quale la forza si estende (range) Ad esempio le forze elettromagnetiche , che hanno range infinito, sono mediate dai fotoni γ icona_glossario , particelle di massa a riposo nulla che possono muoversi solo alla velocità della luce .

La relazione che lega il range dell’interazione alla massa della particella che viene scambiata è di proporzionalità inversa:

R = k/m

dove k = h/2πc

h è una costante fondamentale della fisica (costante icona_glossario di Plank ) c è la velocità della luce.

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Poster del progetto “Fisica in autobus” icona_linkesterno per il WYP2005 dedicato alle “Costanti della fisica : succo dell’Universo”.

Le interazioni forti hanno un range limitato alla dimensione del nucleo dell’atomo ( circa 10-15 metri cioè un milionesimo di un miliardesimo di metro) e questo determina la massa del pione, che è di circa 150 Mev. Le masse delle particelle subatomiche si esprimono in genere in MeV icona_glossario multipli dell’electronvolt (Mev = 106 electronvolt icona_glossario ), dove 1 electronvolt = 1,6 10-19 joule icona_glossario.Questa in effetti è una misura di energia e non di massa! Tuttavia, sulla base della famosa relazione E = mc2 di Albert Einstein icona_biografia (del quale nel 2005 - Anno Mondiale della Fisica icona_wy2005 - si è celebrato l’annus mirabilis ) che lega massa ed energia icona_chimica è consuetudine nello studio del mondo subatomico utilizzare, invece che la massa, l’energia equivalente. Nel caso delle interazioni forti il pione deve esisterein tre stati di carica icona_glossario (positivo, negativo, neutro) per permettere tutte le possibili interazioni. Ad esempio un protone si può trasformare in un neutrone emettendo un pione carico positivamente come mostrato in figura 1.

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Oppure due protoni interagiscono fra di loro scambiandosi un π0, come mostrato in figura 2.

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Il pione carico fu scoperto nel 1947 da Cecil Frank Powel icona_biografia, Cesare Lattes icona_biografia Giuseppe Occhialini icona_biografia in un esperimento con lastre fotografiche in alta quota. Più tardi, nel 1950, venne scoperto il pione neutro in un esperimento con fasci di protoni accelerati. In generale la carica positiva o negativa di una particella viene determinata facendola passare in una zona di campo magnetico B. Fissata la direzione del campo B, la forza di Lorentz icona_biografia icona_miniapprofondimento F =± q (V x B) (in assenza di campo elettrico) determina uno spostamento della particella di carica q e velocità V perpendicolarmente al campo magnetico, a destra o a sinistra a secondo del segno della carica, come mostrato in figura 3.

ScienzaPerTutti_coppia_in_cmLe particelle neutre non possono essere rivelate direttamente, ma vengono identificate ricostruendo a ritroso la storia delle loro interazioni. Ad esempio, un pione neutro si trasforma decade icona_esperto in due fotoni, che a loro volta producono una coppia elettrone-positrone (il positrone icona_glossario è un elettrone carico positivamente, l’antiparticella icona_glossario dell’elettrone). Sarà possibile vedere solo le particelle cariche, utilizzando le quali bisognerà poi decidere se esse sono il prodotto finale dell’interazione di un pione neutro. Un esempio è riportato in Figura 4.

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Altre particelle , come ad esempio muoni μ icona_glossario e neutrini ν icona_glossario interagiscono più debolmente Si parla allora di interazioni deboli. Anche le interazioni deboli fra muoni e neutrini sono mediate da bosoni icona_glossario mediatori, ma diversamente dall' interazione elettromagnetica la loro massa non è nulla faq1 sono le particelle cariche W+ e W- icona_glossario  e da una particella neutra Z0 icona_glossario  . Le interazioni deboli sono quasi puntiformi, il loro range di interazione è molto corto. Le particelle che mediano l’interazione debole hanno quindi una massa molto grande. Alcuni esempi di interazioni deboli sono mostrati in Figura 5.

ScienzaPerTutti_W_Z0L’esistenza delle particelle W+ e W+ e Z0 fu predetta da Glashow icona_biografia, Weinberg icona_biografia e Salam icona_biografia nel 1970. Nel 1973 ci fu una conferma indiretta della loro esistenza attraverso esperimenti che utilizzavano fasci di neutrini. Ma la conferma definitiva si ebbe nel 1983 facendo urtare fasci di protoni e antiprotoni al Cern, esperimento per cui Carlo Rubbia icona_biografia fu insignito del premio Nobel .

La massa di queste particelle è molto grande:

Mw ~83 Gev icona_glossario, MZ ~ 93 Gev (Gev = 109 electronvolt )

In questo caso le particelle W+ e W-, anche se cariche, vivono troppo poco icona_esperto per poter essere rivelate direttamente. Così come descritto nel caso della particella π0, esse devono venire ricostruite studiando i prodotti di decadimento.

Ad esempio:

W +→μ++ vμ

W -→μ -+ -vμ

Z 0→μ++ μ-

Per finire, va ricordato che nella moderna teoria delle interazioni forti , i protoni icona_glossario e neutroni icona_glossario sono costituiti da particelle ancora più fondamentali denominate quark icona_glossario icona_esperto . La teoria denominata Quantum Cromo Dynamics (QCD) prevede che le forze fra quark siano mediate da particelle neutre e senza massa denominate gluoni icona_glossario . Tuttavia, la teoria prevede anche che questi gluoni siano confinati icona_glossario all’interno del protone (o neutrone) e non possano essere osservati.

Giuseppe Iaselli – Fisico


 

 

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