Cosa sono i quark?

Una delle domande eterne dell’umanità circonda ciò di cui siamo fondamentalmente fatti. Molte filosofie antiche credevano in un insieme di elementi classici: dall’acqua, aria, fuoco e terra degli antichi greci; all’acqua, al fuoco, alla terra, al metallo e al legno del pensiero Wu-Xing dell’Asia orientale.

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

Come queste particelle lavorano per creare la materia

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

Esistono anche sei tipi di leptoni, tre elettricamente carichi: “elettrone”, “muone” e “tauone”; e tre elettricamente neutri chiamati neutrini. Ciascuno dei tre neutrini si accoppia con uno dei leptoni carichi e sono chiamati rispettivamente “neutrino elettronico”, “neutrino muonico” e “neutrino tau”.

Queste dodici particelle elementari sono mediate dagli scambi di un altro tipo di particella denominata mediatore di forza. Oggi sono noti quattro tipi di mediatori di forza elementari, ovvero il “gluone”, il “fotone”, il “gravitone” e i “bosoni deboli”.

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

In un nucleo atomico, un protone è composto da due quark up e un quark down, e 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 è dovuta agli scambi di gluoni.

Un nucleo atomico costituisce un atomo insieme agli elettroni che orbitano attorno ad esso. La relazione tra il nucleo e gli elettroni assomiglia a quella tra il sole e i pianeti nel sistema solare.

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

Molti atomi costituiscono oggetti nella nostra vita quotidiana così come componenti molto più grandi dell’universo come stelle e galassie. La forza che domina questo livello di fenomeni macroscopici è la gravità, intermediata dai gravitoni.

Al centro delle stelle, un’enorme energia è generata dalla fusione nucleare mediata da bosoni deboli. Questa energia rende l’universo luminoso. Nella fusione nucleare, un quark down viene trasformato in un quark up dalla forza debole. Le stelle sono luminose perché gli elementi costitutivi fondamentali stanno cambiando il loro tipo e forniscono energia.

Ai quark piace stare in gruppo

Sebbene la maggior parte dei fisici creda che i quark siano i mattoni fondamentali che compongono l’universo, nessuno ha osservato un quark isolato da solo. Ciò è dovuto alla natura della forza forte.

Come un nucleo e un elettrone che si attraggono a causa delle loro cariche elettriche, i quark sono combinati insieme dalle loro cariche di colore. La forza forte è una forza che agisce tra le cariche di colore. Proprio come ci sono due tipi di cariche elettriche, ci sono tre tipi di cariche di colore – “rosso”, “blu” e “verde” – analoghe ai colori primari della luce. La forza forte costringe i quark ad essere in uno stato “bianco”.

Se hai appreso la teoria dei colori elementari della luce, puoi ricordare che la sovrapposizione dei tre colori elementari finisce con il bianco. Questo è il motivo per cui un protone e un neutrone sono costituiti da tre quark. In un protone e in un neutrone, un quark ha un colore rosso, un altro ha un colore blu e il terzo ha un colore verde.

Come conseguenza del fatto che la forza forte proibisce gli 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 una serie di esperimenti, ma se dovessi trovare un modo per isolare un singolo quark, saresti in fila per un premio Nobel!

Bordo tagliente

Alcuni teorici della fisica pensano seriamente alla possibilità che nell’universo primordiale (circa 10^-6 secondi dopo il Big Bang) si sia realizzata un’altra fase in cui quark e gluoni volavano come particelle libere. Questa fase è chiamata fase del plasma di quark-gluoni (QGP).

Gli scienziati hanno cercato di riprodurre la fase QGP facendo scontrare ioni pesanti utilizzando potenti acceleratori di particelle 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 alla temperatura più calda mai raggiunta in un laboratorio (è quattro trilioni di gradi centigradi, 250.000 volte più calda del centro del sole).

Sebbene i quark siano le particelle elementari nella fisica odierna, ci sono state prove per vedere se c’è una struttura al loro interno. Se si osserva la struttura di un quark, significa che non è più elementare ma una particella composita costituita da particelle più fondamentali.

Un modo per vedere la struttura sarebbe seguire la maniera del famoso esperimento di Rutherford eseguito 100 anni fa. Ha sparato particelle alfa a una lamina d’oro e ha osservato che alcune di esse sono state deviate con un angolo molto ampio che mostra l’esistenza di un nucleo duro all’interno di un atomo.

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