Cosa sono i leptoni?

Allora cosa sono i leptoni? Innanzitutto, iniziamo con le basi.

La materia è composta da atomi, e gli atomi sono costituiti da elettroni e nuclei, legati dalla forza elettromagnetica.

Gli elettroni hanno una carica elettrica negativa e una massa molto piccola rispetto a quella dei nuclei. I nuclei sono costituiti da protoni e neutroni, che a loro volta sono composti da particelle puntiformi chiamate quark “up” e “down”.

Per quanto ne sappiamo, gli elettroni sono particelle elementari, cioè sembrano essere puntiformi e prive di struttura interna.

Quark e leptoni

Il cosiddetto Modello Standard della Fisica delle Particelle, fortemente supportato da numerosi risultati sperimentali, suggerisce che l’universo materiale sia costruito da un numero limitato di particelle fondamentali:

• i quark,
• particelle simili agli elettroni chiamate leptoni.

I quark si legano tra loro attraverso l’interazione forte per formare, ad esempio, protoni e neutroni. I leptoni, invece, non partecipano all’interazione forte e interagiscono solo tramite le forze elettromagnetiche e deboli.

I quark, almeno in condizioni normali, esistono solo in stati legati. I leptoni, invece, possono essere osservati individualmente.

Tipi di leptoni

Abbiamo prove sperimentali dell’esistenza di sei tipi diversi di leptoni: tre leptoni con carica elettrica negativa e tre elettricamente neutri. I leptoni carichi più conosciuti sono:

• l’elettrone (e),
• il muone (μ),
• il tauone (τ).

I tre leptoni elettricamente neutri sono i neutrini (ν). A ciascun leptone carico è associato un tipo distinto di neutrino:

• il neutrino elettronico (νe),
• il neutrino muonico (νμ),
• il neutrino tauon (νε).

Per ciascuno di questi leptoni esiste anche una antiparticella associata, che ha la stessa massa ma carica opposta.

L’elettrone è familiare a tutti. È strettamente legato alle proprietà chimiche della maggior parte degli atomi. È la particella carica più piccola che conosciamo ed è molto stabile. L’antiparticella dell’elettrone, il positrone, ha una massa identica ma carica positiva. È stata la prima particella di antimateria scoperta.

Muoni e tauoni

Muoni e tauoni sono versioni più pesanti e altamente instabili dell’elettrone.

I muoni hanno una massa 207 volte maggiore rispetto agli elettroni e una vita media di 2,20 microsecondi. Possono essere creati nei raggi cosmici a diverse altezze sopra la Terra.

I muoni costituiscono più della metà della radiazione cosmica a livello del mare, il resto è composto principalmente da elettroni, positroni e fotoni. Il flusso medio di muoni al livello del mare è di circa un muone per centimetro quadrato al minuto.

I fisici americani Carl Anderson e Seth Neddermeyer stavano studiando i raggi cosmici quando scoprirono il muone nel 1936. La scoperta di questa particella fu così sorprendente che il premio Nobel Isidor Isaac Rabi esclamò: “Chi ha ordinato questo?”

Il tauone fu scoperto in esperimenti di collisione ad alta energia tra il 1974 e il 1977 da Martin Perl e i suoi colleghi dello Stanford Linear Accelerator Center in California.

È il più massiccio dei leptoni, con una massa circa 3.490 volte quella dell’elettrone e 17 volte quella del muone. Il tauone ha una vita media molto breve, 100.000 volte più breve di quella del muone.

Neutrini

I neutrini vengono prodotti in una varietà di interazioni. Il sole produce milioni di neutrini nelle reazioni di fusione interna che lo alimentano.

Poiché i neutrini non interagiscono né elettricamente né fortemente, quasi mai interagiscono con altre particelle. La maggior parte dei neutrini attraversa la Terra senza mai interagire con un singolo atomo.

Poiché i neutrini furono prodotti in grande quantità nell’universo primordiale e raramente interagiscono con la materia, ne esistono moltissimi nell’universo.

La scoperta che i neutrini hanno una massa molto piccola, almeno un milione di volte inferiore a quella dell’elettrone, solleva la possibilità che i neutrini acquisiscano massa attraverso processi sconosciuti, che potrebbero non essere correlati al bosone di Higgs recentemente scoperto.

Un albero genealogico complesso

Tutte le particelle fondamentali della materia sono organizzate per ragioni misteriose in tre famiglie distinte.

La prima famiglia, che include l’elettrone, il neutrino elettronico e i quark up e down, costituisce la materia familiare sotto forma di protoni, neutroni ed elettroni. (Le particelle della seconda e della terza famiglia non fanno parte della materia ordinaria. Esistevano nel primo istante dell’universo ma si disintegrarono rapidamente diventando particelle della prima famiglia.)

L’attuale teoria della fisica delle particelle presume che non ci siano più di tre famiglie di leptoni. Questa ipotesi si basa su prove sperimentali che indicano l’esistenza di tre tipi di neutrini e, quindi, di tre famiglie di leptoni.

Una delle prove proviene dal rapporto osservato tra abbondanza di idrogeno ed elio nell’universo. Quando il processo di formazione dei nuclei (nucleosintesi) del Big Bang viene modellato, il numero di tipi di neutrini influisce sull’abbondanza di elio. L’abbondanza osservata concorda con l’esistenza di tre tipi di neutrini.

Nonostante il suo successo, il Modello Standard della Fisica delle Particelle non risponde alla domanda del perché esistano così tanti tipi di leptoni e del perché le loro masse differiscano così tanto.

Solo studi sperimentali dettagliati sulle proprietà dei leptoni potranno fornire le risposte più chiare a questo mistero.