Cosa sono i quark?

Una delle domande eterne dell’umanità riguarda ciò di cui siamo fondamentalmente fatti. Molte filosofie antiche credevano in una serie di elementi classici: dall’acqua, aria, fuoco e terra degli antichi Greci; all’acqua, fuoco, terra, metallo e legno del pensiero Wu-Xing orientale.

Oggi i fisici credono che la materia sia composta da dodici particelle fondamentali – quark e leptoni – che non hanno sottostruttura e non possono essere scomposte ulteriormente in particelle più piccole. I quark e i leptoni interagiscono attraverso quattro forze per formare l’universo che conosciamo oggi.

Come queste particelle lavorano per creare la materia

Sei tipi di quark sono stati sperimentalmente confermati finora, con i nomi “up“, “down“, “strange“, “charm“, “bottom” e “top“, in ordine crescente di massa.

Ci sono anche sei tipi di leptoni, tre elettricamente carichi: “elettrone“, “muone” e “tauone“; e tre neutrini elettricamente neutri chiamati “neutrino dell’elettrone“, “neutrino del muone” e “neutrino del tau“, rispettivamente. Ogni uno di questi tre neutrini si accoppia con uno dei leptoni carichi.

Queste dodici particelle elementari sono mediate da un altro tipo di particella chiamata mediatore di forza. Oggi sono noti quattro tipi di mediatori di forza elementari: “gluoni“, “fotoni“, “gravitoni” e “bosoni deboli“.

In realtà, il gravitone non è stato ancora confermato sperimentalmente, ma molti fisici assumono che questo mediatore esista.

La struttura quark del protone

In un nucleo atomico, un protone è composto da due quark up e un quark down, mentre un neutrone è composto da un quark up e due quark down. La forza che lega tre quark in un protone o in un neutrone è chiamata forza forte, e questa forza avviene tramite scambi di gluoni.

Un nucleo atomico costituisce un atomo insieme agli elettroni che orbitano attorno ad esso. Il rapporto tra il nucleo e gli elettroni somiglia a quello tra il sole e i pianeti nel sistema solare.

Il nucleo e gli elettroni sono attratti l’uno verso l’altro, scambiando fotoni. La forza tra il nucleo e gli elettroni è la forza elettromagnetica.

Molti atomi costituiscono gli oggetti della nostra vita quotidiana, così come componenti molto più grandi dell’universo come stelle e galassie. La forza dominante a questo livello di fenomeni macroscopici è la gravità, mediata dai gravitoni.

Nel cuore delle stelle, un enorme energia viene generata dalla fusione nucleare mediata dai bosoni deboli. Questa energia rende l’universo luminoso. Nella fusione nucleare, un quark down viene convertito in un quark up tramite la forza debole. Le stelle sono luminose perché i blocchi fondamentali cambiano tipo e forniscono energia.

Ai quark piace stare in gruppo

Anche se la maggior parte dei fisici crede che i quark siano i mattoni fondamentali che formano l’universo, nessuno ha mai osservato un quark isolato. Questo è dovuto alla natura della forza forte.

Come un nucleo e un elettrone che si attraggono grazie alle loro cariche elettriche, i quark si combinano tramite le loro cariche colore. La forza forte lavora tra le cariche colore. Così come ci sono due tipi di cariche elettriche, ci sono tre tipi di cariche colore: “rosso“, “blu” e “verde” – analoghe ai colori primari della luce. La forza forte costringe i quark a trovarsi in uno stato “bianco“.

Se avete studiato la teoria dei colori elementari della luce, potrete ricordare che la sovrapposizione dei tre colori elementari produce il bianco. Questo è il motivo per cui un protone e un neutrone consistono di tre quark. In un protone e in un neutrone, un quark ha un colore rosso, un altro blu e il terzo verde.

Di conseguenza, poiché la forza forte proibisce stati non bianchi, nessuno è riuscito a isolare un quark. Questo fenomeno è chiamato confinamento dei quark.

L’esistenza dei quark è stata stabilita da numerosi esperimenti, ma se riusciste a isolare un quark, avreste diritto al Premio Nobel!

Avanguardia

Alcuni teorici della fisica considerano seriamente la possibilità che nell’universo primordiale (intorno a 10^-6 secondi dopo il Big Bang) si sia verificata un’altra fase in cui i quark e i gluoni viaggiavano come particelle libere. Questa fase è chiamata fase plasma di quark-gluoni (QGP).

I ricercatori stanno tentando di riprodurre la fase QGP colpendo ioni pesanti utilizzando acceleratori di particelle potenti come il Large Hadron Collider (LHC) a Ginevra e il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) a New York.

Finora, il RHIC ha indicato che la creazione di una fase QGP è possibile alle temperature più elevate mai raggiunte in laboratorio (quattro trilioni di gradi Celsius, 250.000 volte più caldo del centro del sole).

Anche se i quark sono le particelle elementari della fisica di oggi, ci sono stati tentativi per vedere se esiste una struttura al loro interno. Se si osserva la struttura di un quark, significa che quel quark non è più elementare ma una particella composta da più particelle fondamentali.

Un modo per osservare la struttura potrebbe essere seguendo l’approccio dell’iconico esperimento di Rutherford, eseguito 100 anni fa. Rutherford sparò particelle alfa su una lamina d’oro e osservò che alcune di esse erano deflesse a un angolo molto elevato, mostrando l’esistenza di un nucleo duro all’interno dell’atomo.

Allo stesso modo, una deflessione imprevista di particelle incidenti in collisioni ad alta energia potrebbe indicare la scoperta della struttura dei quark. L’attuale acceleratore più potente è l’LHC, che ha colliso protoni a un’energia al centro di massa di otto TeV (106 volte superiore all’energia delle particelle alfa).