Gli eventi delle alte energie ovvero come si fa a vedere i quark
Quello che vedete e' un disegno schematico di un atomo di elio con due elettroni che girano intorno al nucleo formato da 2 neutroni e 2 protoni
La materia e' fatta di due tipi di particelle fondamentali : i leptoni e i quark.I due elettroni che girano intorno all'atomo sono leptoni.I quark invece si nascondono a 3 a 3 dentro i protoni e neutroni del nucleo.Ma come si fa' a capire tutto questo?
ovvero fotografando quark e leptoni in azione
Cio' che vedete e' la foto di cio' che succede nello scontro di due particelle elementari di alta energia: un elettrone e un positrone.
Queste foto sono fatte con la "macchina fotografica" Aleph: un bidone fatto per lo piu' di ferro alto 7 metri e lungo 10 con le pareti spesse 2 metri. Questo bidone e' disposto dove avviene l'urto in modo che questo avvenga nel suo centro.
Dallo scontro nasce un fuoco d'artificio di tracce. Ogni traccia sta a indicare che si e' formata una nuova particella carica e la traccia e' la scia lasciata dal suo passaggio:come un aereoplano,la particella e' troppo piccola per essere vista ma la sua scia e' ben visibile.
Alcune particelle essendo senza carica elettrica non lasciano scia, ma diventano visibili quando vanno a cozzare contro le pareti producendo uno sciame di nuove particelle e fermandosi(per questo il bidone massiccio).
Solo i fantomatici neutrini riescono a sfuggire senza lasciare traccia del loro passaggio. Ma la loro presenza risulta chiara dal fatto che manca qualcosa
Tornando alle particelle che si scontrano, esse sono il comunissimo elettrone,quello del televisore o dello schermo che state guardando. Il positrone e' quello che si dice l'antiparticella dell'elettrone: uguale in tutto al primo tranne per la carica(positiva).
Il positrone in natura non esiste, ma si puo' produrre accelerando elettroni e facendoli urtare contro un pezzo di materiale. Tra le briciole dopo l'urto ci sono dei positroni che uno puo' raccogliere e usare per farli scontrare con normali elettroni.
Quando una particella si scontra con la sua antiparticella , esse si annientano trasformandosi in energia che riappare sotto forma di nuove particelle. Ma come sono accelerati gli elettroni e i positroni in modo da arrivare a velocita' prossime a quelle della luce( i positroni possono essere accelerati nello stesso modo degli elettroni solo che vanno all'indietro)?
Un televisore e' un piccolo acceleratore dove un fascetto di elettroni e' accelerato da una differenza di potenziale(come quella prodotta dalla pila) e deviato da un campo magnetico (come quello di una calamita) in modo da sbattere contro lo schermo spennellandolo per disegnare l'immagine.
Il Lep (l'acceleratore usato per produrre questi scontri) e' solo un televisore un po' piu' grande col fascio di elettroni che viene accelerato in un tunnel sottoterra a forma di anello di circa 8 Km di diametro.In questo modo lo si puo' accelerare di piu' in poco spazio come una macchina su una pista circolare.
Anche qui dei magneti disposti a intervalli regolari nel tunnel provvedono a deviare gli elettroni mantenendoli nel tunnel,mentre l'accelerazione viene data da cavita' ad alta frequenza nelle quali gli elettroni passano giro dopo giro.
In teoria si potrebbe pensare che 1) un anello cosi' grande (e costoso) non sia necessario (una pista da 100 metri potrebbe bastare) e 2) gli elettroni possano essere accelerati all'infinito.
In pratica quando uno fa una cosa del genere vede che all'aumentare della velocita' gli elettroni producono un cono di luce (chiamata luce di sincrotone)collimata in avanti come quello prodotto da un faro di locomotiva;e a una certa velocita' le cavita' acceleratrici riescono solo a compensare la perdita dovuta all'emissione di questa radiazione( l'acceleratore si trasforma in una costosissima lampadina a luce di sincrotone).
Se si riduce il raggio questa perdita aumenta sempre piu'.Viceversa in un acceleratore lineare essa e' nulla. Ma allora occorrerebbero due tunnel diritti e dopo l'urto i fasci sarebbero persi mentre cosi' possono continuare a circolare per ore.
Per quanto riguarda l'apparato sperimentale, basterebbe un pacco di pellicole fotografiche dove avviene lo scontro.Una pellicola fotografica e' abbastanza sensibile da poter registrare il passaggio delle particelle (come d'altronde lo e' anche il nostro occhio). In passato sono state usate a questo scopo.Ad esempio pacchi di pellicole erano inviate su palloni per registrare raggi cosmici.
Cosi' si faceva in passato.Ma ora,cosi' come la pellicola ottica e' sostituita da quella elettronica (CCD) anche qui si preferiscono usare dispositivi in cui un punto della traccia non deve essere guardato in seguito e misurato, ma fornisce da solo le proprie coordinate facilitando l'analisi dell'esperimento che consiste nel registrare tutte le foto "interessanti" e nel vedere se tra le tracce c'e' qualche segno di nuove particelle mai viste prima.
Una nuova particella ha di solito una firma che la fa riconoscere subito come il pione che decade in un muone e quindi in un elettrone o la lambda che produce una caratteristica V.Anche un profano guardando parecchie foto di eventi puo' riconoscerle.
Guardando moltissime di queste foto di urti elettrone positrone,o meglio, facendole guardare al computer, si e' potuto stabilire che tutta la materia e' fatta da 2 tipi fondamentali di particelle:i leptoni (come l'elettrone) e i quark (i quark non esistono da soli e si pensa che un protone sia fatto da 3 quark).
Questi leptoni e quark sono presenti in 3 generazioni. Ad esempio l'elettrone di seconda generazione e' il muone. Quello di terza il tau.Come si fa a capire questo dalle foto?
Intanto si accelerano gli elettroni e i positroni in modo tale che quando si scontrano la loro energia e' proprio quella necessaria per formare la particella Z0 (la particella scoperta da Rubbia).
Potete pensare alla Z0 come qualcosa di identico alla normale luce(che e' fatta di fotoni) ma solo piu' pesante;una luce pesante. Cioe' elettrone e positrone scontrandosi si trasformano in questa luce pesante.
Questa luce pesante e' molto instabile e vive pochissimo trasformandosi subito in altre particelle piu' leggere,queste in altre ancora piu' leggere, finche' non rimangono che le particelle stabili della vita di tutti i giorni (come elettrone,protone,neutrino,etc).
Ora avviene la cosa interessante: come fa a decidere la Z0 in quale particelle trasformarsi? Be' non decide o per lo meno non ha preferenze e si trasforma in tutte le possibili particelle(questo dipende dal fatto che come la normale luce essa e' energia pura). Se per esempio esistono 6 tipi di particelle fondamentali, e' come se la Z0 ogni volta prima di decidere ,lanciasse un dado e a seconda di cio' che esce decidesse per un tipo o l'altro dei 6 (da notare che deve produrre assieme particella e antiparticella perche' un fotone=particella+antiparticella).
Percio' non dobbiamo far altro che contare quanti tipi diversi di foto compaiono e da qui stabilire quante particelle fondamentali esistono.
Quello che viene fuori e' che grosso modo meta' delle foto contengono pochissime tracce(sono quelle coi leptoni), l'altra meta' hanno invece molte tracce raggruppate in caratteristici getti (si sono formati i quark). Percio' la materia e' fatta da n coppie di quark e antiquark e n coppie di leptoni e anti leptoni.
Ma quanto vale n, cioe' quante sono le generazioni di quark leptoni? Se esaminiamo gli eventi di leptoni vediamo che ce ne sono di 3 tipi corrispondenti a tre generazioni di leptoni. La prima gia' la conosciamo:si tratta dell'elettrone e del positrone.
Un altro evento e+ e-
La seconda e' muone,antimuone.
Un altro evento muone antimuone
La terza tau,antitau. Chiamarle generazioni e' appropriato perche' ad esempio il muone non e' altro che un elettrone piu' pesante che come tale finisce come gia' sappiamo col trasformarsi in particelle piu' leggere stabili.Il tau e' ancora piu' pesante e si trasforma in ancora piu' particelle.
Ora arriviamo ai quark. A questo punto ci aspettiamo 3 generazioni di quark. Purtroppo non e' facile distinguere queste 3 generazioni. Le foto di quark hanno questi getti. Da dove vengono? Come fa un quark a produrre un getto di particelle?
Un altro evento tau+ tau-
Ad esempio in gruppi di 3 col nome di adroni
I quark sono particelle molto diverse dai leptoni. E' impossibile trovarli da soli e li si ritrova solo a gruppi di 3 come nei protoni
oppure a gruppi di 2 (1 quark+1 antiquark) come nei cosiddetti mesoni.
Insomma i 2 quark prodotti dalla Z0 dato che non possono esistere da soli e allontanarsi, sono costretti, per poterlo fare, a produrre una serie di altre coppie quark,antiquark che poi si combinano a formare gli adroni (cosi' si chiamano le particelle fatte da 3 quark) e i mesoni che si ritrovano nei getti.
Sono proprio questi spruzzi di particelle prodotti lungo la direzione del quark iniziale a tradire la loro presenza.
Studiando le particelle prodotte e classificandole e' possibile risalire al fatto che esistono 3 generazioni di quark ed ogni generazione ha 2 tipi di quark ad es. la prima ha i quark up e down (u,d) che formano i comuni protoni e neutroni del nucleo.
Un'altro evento a 2 getti
A questo punto vi starete chiedendo :ma perche' 3 leptoni e 6 quark? C'e' qualcosa che non quadra. E' vero per ogni leptone c'e un'altra particella :il relativo neutrino! Queste particelle si rendono visibili solo in condizioni eccezionali (percio' sono chiamate anche particelle fantasma) ma si possono "vedere" proprio perche' nel fare i conti si vede che manca qualcosa. Percio' in ogni generazione di leptoni abbiamo un leptone e il relativo neutrino.
In definitiva :
| Prima generazione | neutrino elettronico | quark u |
| elettrone | quark d | |
| Seconda generazione | neutrino muonico | quark c |
| muone | quark s | |
| Terza generazione | neutrino del tau | quark t |
| tau | quark b |
Il decadimento della Z0 come lo svuotarsi di un cinema
Come facciamo ad essere sicuri che non esistono altre generazioni? La certezza viene misurando la velocita' con la quale la Z0 si disintegra. Questa velocita' dipende dal numero di generazioni ed ora abbiamo la certezza che non ne esistono altre. Una metafora aiuta a capire : se non sappiamo quante porte di uscita ha un cinema possiamo misurare quanto tempo ci vuole perche' la sala si svuoti.Piu' presto si svuota ,piu' uscite ci sono.
Lo scorso anno gli elettroni e i positroni al Lep sono stati accelerati in modo da riuscire a produrre invece della Z0 una coppia di particelle cariche W+ W- .Ognuna di queste si disintegra in una coppia quark antiquark, per cui ora avremo eventi con quattro getti invece di due
Z0,W+,W- sono in realta' anch'esse delle particelle che mediano la forza debole
Il mediatore della forza forte che tiene insieme ad esempio i 3 quark del protone e' il gluone. Esso si manifesta negli eventi con 3 getti. In questo caso oltre ai due quark si e' prodotto anche un gluone che si materializza anch'esso in un getto di normali particelle.
Che relazione c'e' tra questi eventi e la storia dell'Universo?Questi urti ricreano le condizioni all'inizio dell'Universo e ci aiutano a ricostruire la sua storia.Ad esempio ci aiutano a rispondere a domande come:perche' l'antimateria non e' diffusa come la materia?
Nel Big Bang,all'inizio,siamo nelle stesse condizioni della Z0 che sta per disintegrarsi solo che l'energia e' molto piu' grande. Ci si aspetterebbe percio' la stessa quantita' di materia e antimateria.In effetti alcune delle reazioni che avvengono favoriscono la materia e quella che forma l'Universo e' proprio dovuta a questo leggero eccesso(il resto si e' trasformato da lungo tempo in radiazione)
L'LHC, il grande collisore di adroni, sarà il prossimo acceleratore di particelle del CERN.La sua entrata in funzione è prevista per l'inizio del 21esimo secolo e sonderà la materia ancora più profondamente di quanto sia mai stato possibile
LHC che sta' per Large Hadron Collider fara' scontrare protoni e antiprotoni invece di elettroni e positroni, nello stesso tunnel utilizzato dal Lep. Data la dimensione maggiore dei protoni sara' possibile ottenere energie ancora piu' grandi.
Gli eventi prodotti dallo scontro di un protone e un antiprotone conterranno ancora piu' tracce e saranno necessari dei nuovi rivelatori ancora piu' grandi. Uno di questi e' il rivelatore CMS
I raggi cosmici sono particelle di alta e talvolta altissima energia provenienti dallo spazio. Essi sono accelerati da acceleratori naturali nel cosmo. All'incirca una particella di media energia(di solito un muone) ci attraversa ogni minuto.Un particella proveniente dal cosmo produce nell'atmosfera uno sciame simile a quelli nelle pareti di Aleph ma estesi per chilometri.Un'apposita apparecchiatura puo' mostrarci questi sciami cosmici.
L'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e' l'ente di ricerca che porta avanti la sperimentazione nel campo della fisica subnucleare. Questa attivita' viene svolta presso le maggiori Universita' italiane in 19 Sezioni tra cui quella di Bari . Esso, oltre a collaborare con i maggiori laboratori internazionali, gestisce 4 laboratori nazionali.
