Cosa sono i leptoni?

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

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

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

Per quanto ne sappiamo gli elettroni sono particelle elementari; cioè, sembrano essere particelle puntiformi senza struttura interna.

Quark e leptoni

Il cosiddetto Modello Standard di Fisica delle Particelle, che è fortemente supportato da ampi risultati sperimentali, suggerisce che si presume che l’universo materiale sia costruito da un piccolo numero di particelle fondamentali:

quark
particelle simili a elettroni dette leptoni.

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

I quark, almeno in circostanze normali, esistono solo negli stati vincolati. I leptoni, d’altra parte, possono essere osservati individualmente.

Tipi di leptoni

Abbiamo prove sperimentali per sei diversi tipi di leptoni: tre leptoni caricati elettricamente negativamente e tre elettricamente neutri. I leptoni caricati elettricamente più noti sono:

l’elettrone (e)
il muone (μ)
il tauone (τ)

I tre leptoni elettricamente neutri sono i neutrini (ν). Associati a ciascun leptone carico, esistono tre tipi distinti di neutrini:

il neutrino elettronico (νe)
il neutrino muonico (νμ)
il neutrino tauon (νε)

Ad ognuno di questi leptoni è associata anche un’antiparticella, che ha la stessa massa ma carica opposta.

L’elettrone è familiare a tutti. È direttamente legato alle proprietà chimiche di quasi tutti gli atomi. È la particella carica più piccola che conosciamo ed è molto stabile. L’antiparticella dell’elettrone, il positrone, ha una massa identica ma ha una carica positiva. Fu la prima particella di antimateria ad essere scoperta.

Muoni e tauoni

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

I muoni hanno una massa 207 volte maggiore degli elettroni e una durata di 2,20 microsecondi. Può essere creato nei raggi cosmici a diverse altezze sopra la terra.

I muoni costituiscono più della metà della radiazione cosmica al livello del mare, il resto è costituito principalmente da elettroni, positroni e fotoni. Il flusso medio di muoni (o concentrazione) 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 l’ha ordinato?”

Il tauone è stato scoperto in esperimenti di collisione di particelle ad alta energia tra il 1974 e il 1977 da Martin Perl con i suoi colleghi allo Stanford Linear Accelerator Center in California.

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

Neutrini

I neutrini sono 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 elettricamente o fortemente, non interagiscono quasi mai con nessun’altra particella. La maggior parte dei neutrini passa attraverso la Terra senza mai interagire con nessun singolo atomo.

Poiché i neutrini sono stati prodotti in grande abbondanza nell’universo primordiale e raramente interagiscono con la materia, ce ne sono molti nell’universo.

La scoperta che i neutrini hanno una massa molto piccola, almeno un milione di volte più leggera dell’elettrone, solleva la possibilità che i neutrini ottengano la loro massa da processi sconosciuti, che potrebbero non essere correlati al bosone di Higgs recentemente scoperto.

Un albero genealogico complesso

Tutte le particelle di materia fondamentale sono per qualche misteriosa ragione organizzate in tre famiglie distinte.

La prima famiglia, che comprende l’elettrone, il neutrino elettronico e i quark up e down, ci fornisce la materia familiare sotto forma di protoni, neutroni ed elettroni. (Le particelle della seconda e della terza famiglia non fanno parte della materia ordinaria. Sono esistite nella prima frazione di secondo dell’universo, ma si sono disintegrate molto rapidamente per diventare particelle della prima famiglia.)

L’attuale teoria della fisica delle particelle presuppone che non ci siano più di tre famiglie di leptoni. Ciò è dovuto all’evidenza sperimentale che indica che esistono tre tipi di neutrini e quindi tre famiglie di leptoni.

Una prova viene dal rapporto di abbondanza di idrogeno/elio misurato nell’universo. Quando si modella il processo di formazione dei nuclei (nucleosintesi) dal Big Bang, il numero di tipi di neutrini influisce sull’abbondanza di elio. L’abbondanza osservata concorda con tre tipi di neutrini.

Nonostante il suo successo, il Modello Standard della Fisica delle Particelle non risponde alle domande sul perché abbiamo così tanti tipi di leptoni e perché la loro massa differisca così drasticamente.

Solo studi sperimentali dettagliati sulle proprietà dei leptoni forniranno informazioni più chiare su questo mistero.