Le origini della fisica moderna

4. L'osservazione sperimentale dei quark

di G. Batignani

Appurato il fatto che il nucleo non è un oggetto puntiforme, si poneva le seguente domanda: il nucleo sarà composto da una "marmellata" di materia oppure sarà formato da oggetti più piccoli?

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Per rispondere a questa domanda venne costruito, sempre a SLAC, un acceleratore lineare di elettroni ancora più potente, della lunghezza di circa 3km (2 miglia).

I gruppi delle università di Stanford e del M.I.T. (Massachusets Institute of Technology), guidati da Jerome I. Friedman icona_biografia, Henry W. Kendall icona_biografia e Richard E. Taylor icona_biografia, costruirono un esperimento per verificare se il protone potesse essere "rotto" durante la collisione con gli elettroni.

Il meccanismo fisico è schematizzato nella figura 11.

Fra i tantissimi elettroni che, essendo molto energetici, possono penetrare nel nucleo, la maggior parte non è diretta contro uno dei costituenti "puntiformi": questi elettroni subiscono una piccola deflessione, l'energia trasferita al protone è piccola ed il protone resta inalterato nella collisione (urto elastico). Però alcuni elettroni (in figura cè solo quello che "punta" contro il costituente dipinto in blu) possono essere diretti proprio contro uno dei costituenti elementari: in questo caso l'urto è violentissimo, l'elettrone subisce una grande deflessione e poiché l'energia trasferita al costituente è molto grande, possono essere create delle nuove particelle, come i mesoni ?. Si dice che l' urto è "anelastico icona_glossario ".

Da un punto di vista sperimentale esiste una caratteristica che permette di distinguere i processi elastici da quelli inelastici, osservando soltanto l'elettrone nello stato finale: occorre misurare sia l'angolo di deflessione, sia la "quantità di moto" (prodotto della velocità per la massa) dell'elettrone uscente. Per questo, l'apparato di Friedman, Kendall e Taylor è costituito (figura 12), oltre che da scintillatori in grado di misurare la posizione (e quindi l'angolo) dell'elettrone uscente, anche da un magnete che, deflettendo gli elettroni con una forza proporzionale alla loro velocità, permette la misura della quantità di moto.

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Nell'esperimento, realizzato dopo il 1953 e che fruttò ai tre fisici il premio Nobel nel 1990, furono osservati grandi angoli di deflessione ed una notevole probabilità di urti inelastici.

Quel risultato confermò il modello secondo cui il protone è composto da costituenti elementari puntiformi, che furono chiamati dal famoso fisico teorico R. Feynmann icona_biografia  "partoni" e successivamente identificati con i quark leggeri e con i gluoni.