Cinquant'anni di quarks

Murray Gell-Mann durante la sua visita all’esperimento ATLAS del CERN nel gennaio del 2013. (Credit: Maximilien Brice/CERN).

Nel 1964 due fisici, in modo del tutto indipendente l’uno dall’altro, hanno proposto l’esistenza di particelle subatomiche oggi note con il nome di quarks. Murray Gell-Mann e George Zweig, mentre stavano lavorando all’interazione forte, ipotizzarono che le importanti proprietà delle particelle fortemente interagenti – gli adroni – potevano essere spiegate solo se si ammetteva che erano dotate di una struttura interna, facendo riferimento ai loro costituenti. 

Nel 1961, utilizzando una branca della matematica nota come teoria dei gruppi di simmetria, Gell-Mann concepisce un sistema di classificazione delle particelle , in cui le particelle vengono raggruppate in famiglie, descritte da otto numeri quantici che ne definiscono caratteristiche e proprietà comuni. Gell-Mann ha battezzato questo schema eightfold way (ottuplice via). Dato che era basato su una simmetria matematica nota come SU(3), il regime (per il quale ha ricevuto il Nobel per la fisica nel 1969) ha classificato gli adroni in due gruppi principali, in modo molto simile alla classificazione degli elementi nella tavola periodica. Considerò per primi gli otto barioni, con spin ½: iperoni (lambda, sigma+, sigma0, sigma , xi0, xi) e i nucleoni (protoni e neutroni). Disegnando un diagramma della loro stranezza in funzione della loro carica, usando un sistema di assi obliquo, osservò che sei barioni formano un esagono e i restanti due si trovano nel suo centro.

Griglia esagonale eightfold way per gli otto barioni a spin 1/2.

Passò poi a considerare poi la famiglia di mesoni con spin 0 (pione+,pione0, pione, kaone+, kaone01, kaone02, mesone eta, di+, di0), costituita sia dalle particelle che dalle antiparticelle, per un totale di nove di tali mesoni, ancora una volta emerge una configurazione esagonale. In questo caso, le particelle sul perimetro giacciono dal lato opposto alle loro antiparticelle, e le restanti tre stanno al centro.

Griglia eightfold way per i nove mesoni a spin zero.

I gruppi di barioni e mesoni possono essere visualizzati in molte altre configurazioni entro il riferimento di eightfold way. Per esempio la famiglia di barioni con spin 3/2 contiene dieci particelle sistemate in una configurazione simile a quella dei birilli del bowling. Ma una delle particelle mancanti doveva ancora essere scoperta. Gell-Mann predisse che la particella mancante, che chiamò omega-meno (W ), avrebbe avuto spin 3/2, carica -1, stranezza -3, e un’energia a riposo di circa 1680 MeV. Nel 1964 alcuni scienziati trovarono la particella mancante e confermarono tutte le proprietà previste. Gli schemi di eightfold way hanno molto in comune con lo schema della tavola periodica (dove gli elementi sono separati anche loro in famiglie), inoltre l’esistenza di tale schema suggerisce che barioni e mesoni hanno una struttura più elementare.

Dunque, per spiegare protoni e neutroni ha introdotto tre nuove particelle elementari, tre quarks appunto (il nome deriva dalla battuta Three quarks for Muster Mark dei Finnegans Wake di James Joyce). Anche se gli “aces” di George Zweig hanno lasciato il posto ai quarks, si tratta solo di una scelta linguistica, in quanto la scoperta di Zweig, pubblicata nel gennaio del 1964, è la stessa. Alcune proprietà degli adroni possono essere spiegate trattandoli come triplette di altre particelle costituenti.

Fifty years of quarks

George Zweig in visita all’esperimento ALICE del CERN nel settembre del 2013. (Credit: Panagiotis Charitos).

Entrambi, i quark di Gell- Mann e gli assi di Zweig, dovevano avere cariche elettriche pari ad 1/3 o 2/3 di un elettrone o di un protone. Soprattutto negli ultimi quattro anni, un gruppo di ricerca conosciuto come la MIMD Lattice Computation (MILC) sta compiendo numerosi passi avanti nello studio dei quarks e, in generale, nei modelli a reticolo in QDC. L’ultimo paper rilasciato on line, Calculation of the kaon semileptonic form factor f+(0) from lattice QCDarxiv.org/pdf/1312.1228.pdf, riporta alcuni dati interessanti soprattutto per studiare la massa di queste particelle. Più in dettaglio, gli scienziati hanno utilizzato molti dei supercomputer più potenti della nazione di simulare le condizioni all’interno del nucleo degli atomi e di quantificare le masse e le proprietà di decadimento di particelle ancora misteriose – quarks, mesoni e gluoni.

Nell’articolo che ho citato è stato calcolato il decadimento dei kaoni (o mesoni K, un tipo di particella instabile composta da un quark strange, da un quark down e da un quark up) utilizzando i protocolli della “lattice QCD” riuscendo, per la prima volta a calcolare la controparte fisica delle masse dei quark (i quarks individualmente non sono osservabili). I calcoli servivano a controllare la matrice di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) che sottende tutte le interazioni di sapore dei quark. I ricercatori sono stati in grado di ridurre l’incertezza teorica nella prima riga della matrice CKM – una restrizione nell’evoluzione attesa dei sistemi quantistici che assicura che la somma delle probabilità di tutti i possibili esiti resta comunque sempre uno. (Per chi non volesse leggersi l’articolo, alcuni dettagli in più si trovano a questo link: phys.org/news/2014-01-quarks-virtual-scale.html).

Annunci

Rispondi

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione / Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione / Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione / Modifica )

Google+ photo

Stai commentando usando il tuo account Google+. Chiudi sessione / Modifica )

Connessione a %s...