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Quark e Antiquark, ricetta dell’universo

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L’uomo si domanda da sempre di cosa è fatto il mondo e cosa lo tiene unito. Ad oggi è riuscito a scoprire che la materia è un insieme di pochi elementi fondamentali che compongono qualunque cosa nell’universo. Vediamo allora quali sono questi elementi fondamentali che conosciamo e quali ancora non sono stati scoperti.
Cosa vuol dire fondamentale?
Nel Novecento si pensava che l’atomo fosse come una pallina e si riteneva che lo stesso fosse un’unità fondamentale: la parola “fondamentale” sta a significare che una particella non può essere scomposta in altre più piccole e che non ne contiene altre al suo interno.
Molti anni dopo però, ci si accorse che l’atomo non era fondamentale perché è composto da altre particelle (protoni e neutroni nel nucleo ed elettroni all’esterno), ma neanche i protoni e i neutroni sono fondamentali perché sono composti da particelle ancora più elementari chiamate “quark”.
Attualmente, quindi, i fisici ritengono che i quark e gli elettroni siano particelle fondamentali, anche se, teoricamente, è possibile che neppure essi lo siano.
Il modello standard
In tutti questi anni sono state scoperte tante particelle ed è stata elaborata una teoria, chiamata “modello standard”, che è in grado di descrivere sia la materia che tutte le forze dell’universo (tranne la gravità). Il modello prevede due tipi di particelle:
particelle materiali, cioè che compongono la materia
particelle mediatrici di forza, cioè che la tengono insieme
In totale si conoscono 12 tipi di particelle materiali (6 quark e 6 leptoni) e 13 particelle mediatrici di forza che permettono loro di interagire gli uni con gli altri
Le particelle materiali
I leptoni e i quark
Esistono tre generazioni o famiglie di particelle elementari, di cui solo la n. 1 costituisce la materia ordinaria: le altre, infatti, sono particelle instabili che sono state prodotte solo nelle prime fasi di formazione dell’universo perché dopo sono decadute, cioè si sono “trasformate” tutte nelle particelle della prima famiglia. Sappiamo che la seconda e la terza generazione esistono, solo perché i moderni acceleratori di particelle sono in grado di ricrearle facendo scontrare tra loro le particelle della prima generazione. Ma di questo ne parliamo più avanti…
In questa tabella vediamo che l’elettrone il muone e il tau hanno tre leptoni corrispondenti, neutrino elettrone, neutrino muone e neutrino tau: i primi tre hanno una carica elettrica gli altri tre, cioè i neutrini, non la hanno . I leptoni inoltre, a differenza dei quark, possono esistere da soli, senza bisogno di “accoppiarsi” con altre particelle fondamentali, sono quindi delle particelle singole.
Anche i quark hanno ognuno il suo corrispondente infatti up, charm e top hanno hanno tutti carica elettrica di 2/3 mentre down, strange e bottom hanno carica elettrica -1/3. Il significato dei loro nomi è veramente simpatico infatti abbiamo il quark su (up), giù (down), affascinante (charm), strano (strange), sopra (top), sotto (bottom).
Una curiosità sui quark è che essi, a differenza dei leptoni, oltre alla carica elettrica hanno anche una carica di colore rosso, verde o blu e il colore viene trasportato da un quark all’altro tramite una particella mediatrice di forza chiamata gluone. I gluoni, quindi, interagiscono solo con i quark e non con i leptoni.
I quark però, non stanno bene da soli come i leptoni e perciò si uniscono tra loro formando dei gruppi chiamati adroni (nella tabella infatti sono rappresentati con tre palline di colori diversi unite tra loro invece che con una pallina singola come i leptoni).Questi adroni possono essere di due tipi:
i barioni (formati da tre quark)
i mesoni (formati da un quark e da un antiquark).
Antiquark? Cosa è un antiquark? Ed ecco che entra in gioco l’antimateria
L’antimateria
Per ogni particella di materia esiste la corrispondente particella di antimateria: un’antiparticella è identica alla particella in tutto e per tutto tranne che per la carica, che è opposta. Ad esempio il protone ha carica positiva e l’antiprotone ha carica negativa, ma hanno entrambi la stessa massa.
Che cosa succede quando una particella si scontra con la sua antiparticella? Si dice che le particelle si “annichilano” ovvero si annientano producendo energia sotto forma di luce. Questa energia può, inoltre, dar vita alle particelle mediatrici di forza di cui abbiamo parlato prima, come ad esempio dei fotoni, dei gluoni ed altre.
Quindi, se ogni particella ha la sua corrispondente antiparticella esattamente uguale ma con carica opposta, perché nell’universo c’è più materia che antimateria?
Ovviamente non so la risposta, provate a chiederlo ad un fisico
Le particelle mediatrici di forza
Le particelle interagiscono tra di loro mediante quattro interazioni fondamentali:
interazione forte
interazione debole
elettromagnetismo
gravità
Tutte le interazioni sono dovute al fatto che le particelle materiali si scambiano tra loro le particelle mediatrici di forza chiamate bosoni, come se giocassero a palla!
Quindi ci sarà una particella responsabile di ogni interazione: per la gravità c’è il gravitone che è una forza molto debole a tutti familiare; per l’elettromagnetismo c’è il fotone che oppone resistenza allo spostamento degli atomi; per l’interazione forte c’è il gluone (dall’inglese glue “colla”) che è talmente forte da riuscire a tenere uniti i quark l’uno con l’altro ed infine per l’interazione debole ci sono i bosoni W e Z che sono responsabili del decadimento dei quark e dei leptoni che hanno massa maggiore, in quark e leptoni più leggeri (la materia stabile dell’universo infatti è composta solo dai due quark più leggeri di tutti, cioè il quark up e il quark down e dal leptone più leggero cioè l’elettrone!).
Conclusioni
Tutti i fenomeni che regolano la vita sul nostro pianeta, in realtà, potrebbero essere spiegati soltanto con 3 particelle materiali (quark up, quark down ed elettrone) e una particella mediatrice di forza (fotone).
Se tutto fosse così semplice, però, i fisici non continuerebbero ininterrottamente a cercare altre particelle tramite i famosi “acceleratori” come ad esempio quello del CERN di Ginevra. Quindi cosa cercano? Cercano di osservare particelle che sono state solo ipotizzate (come ad esempio il gravitone), di scoprire se vi sono altre particelle ancora più fondamentali di quelle che si conoscono oggi e di studiare quelle che non si possono trovare nel mondo circostante perché sono decadute in altre. Per riuscire ad ottenere particelle di massa maggiore esiste, infatti, un trucco geniale che un certo Albert Einstein ha riassunto nella sua famosa equazione E=mc2 e consiste nel far scontrare tra di loro particelle di massa più piccola per creare particelle di massa maggiore: la massa, infatti, è solo una forma di energia!
Gli interrogativi sono ancora tantissimi, solo il tempo e la continua ricerca potranno darci (forse) delle risposte.

Fonte: Tasc

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