• Cultura
  • mercoledì 23 luglio 2014

La fisica delle particelle spiegata a una Pulce

Che è il modo con cui Marco Delmastro chiama sua figlia di cinque anni, nel suo libro sul Bosone di Higgs e i bicchieri d'acqua

Lo zoo delle particelle

Si è fatto tardi. La Pulce dorme, la Signora delle Lettere legge un romanzo accucciata sul divano, la casa è finalmente silenziosa. Tra una cosa e l’altra, la scatola dei mattoncini, con il suo carico di particelle da smontare, è rimasta fuori, in mezzo al soggiorno. Quasi senza accorgermene, mi ritrovo a sollevare il coperchio, e a raccogliere un esemplare di ognuno dei pezzi che la Pulce ed io abbiamo usato nella baraonda di poco prima.
Sul tavolino allineo i tre mattoncini gialli, dal più piccolo al più grande: l’elettrone, il muone, la particella tau. Sopra ciascuno metto un piccolo pezzo rotondo e trasparente di diverso colore, rosso, blu, verde: il neutrino dell’elettrone, quello del muone, e quello del tau. Ecco ricomposti i leptoni, i «piccolini» della Pulce. Sono tre famiglie, ognuna formata da una particella con carica elettrica e dotata di una certa massa, e da un compagno neutrino, leggerissimo ed elettricamente neutro.
Poco più in là, allineo in una struttura simile i mattoncini quadrati che rappresentavano i quark. Inizio con la coppia blu e verde, «su» e «giù», up e down, la prima con cui abbiamo giocato. Li sistemo nelle stesse posizioni dove, nel campo dei leptoni, stanno l’elettrone e il suo neutrino. Li segue a fianco la coppia dei mattoncini viola e rosso, «affascinante» e «strano», charm e strange, piazzati in modo simile al muone e al suo neutrino. Infine, sistemo il mattoncino nero, il quark «bello», beauty (o anche bottom, «basso»), nella posizione che tra i leptoni è occupata dalla particella tau. Manca il suo compagno, l’ultimo quark ad essere stato scoperto, quando tutti ormai erano convinti della sua esistenza: il quark «alto», top, il più pesante dei sei. Per lui recupero dalla scatola un mattoncino quadrato grigio, e lo metto sopra quello nero: adesso anche la compagine dei quark è completa. Come per i leptoni, ci sono tre famiglie, ognuna composta da una coppia di quark.
Ho finito con i componenti della materia, perlomeno con quelli che conosciamo. A essere pignolo, dovrei affiancare a ciascuno dei dodici mattoncini un gemello-al-contrario, un identico mattoncino appoggiato a testa in giù a rappresentare l’antiparticella di ognuno, leptone o quark. Ma cosa fare con i neutrini? Ipotizziamo infatti che esista un’antiparticella per ciascun neutrino, proprio come ne esiste una per ognuno degli altri tre leptoni, e per ogni quark. Siccome però è così difficile misurare come si comportano i neutrini, non ne siamo veramente sicuri. Per semplicità, decido dunque di fermarmi ai primi dodici componenti: lo zoo delle particelle di materia è completo. Mancano solo i guardiani dello zoo, i messaggeri delle interazioni.
Dalla scatola estraggo un mattoncino bianco lungo e sottile, di quelli che la Pulce ed io avevamo utilizzato per attaccare gli elettroni ai nuclei atomici all’inizio del gioco: un fotone. È il messaggero dell’interazione elettromagnetica, quella che mette in relazione – con un’attrazione o una repulsione, a seconda del segno della carica elettrica – le particelle cariche: i tre leptoni carichi (elettrone, muone e tau) e tutti i quark. Ogni particella con una carica elettrica può emettere e assorbire un fotone, mentre un fotone con sufficiente energia può trasformarsi in una coppia composta da una qualunque particella carica, e dalla sua antiparticella. Quando una particella incontra il suo gemello-al-contrario, i due si fondono e spariscono, trasformando tutta la loro energia, inclusa quella associata alla loro massa (ricordate i triangoli rettangoli di Einstein?) in un fotone. Meglio, in due fotoni o più, ma su questo punto sorvolo: le ragioni sono un po’ troppo oscure perché possa spiegarle alla Pulce, e non cambierebbero di molto le regole del gioco.
Allineo il mattoncino lungo e bianco di fianco allo schieramento di leptoni e quark, poi prendo dalla scatola il quadratino sottile e trasparente. È un gluone, quello che abbiamo usato per tenere insieme i quark nelle particelle che la Pulce chiamava «forzute»: protoni, neutroni, e tutta la numerosissima famiglia degli adroni. Il gluone (o meglio, i gluoni, perché ne esistono di otto tipi diversi!) è il messaggero di quell’interazione che chiamiamo «forte», quella che tiene confinati i quark negli adroni. Per due quark appiccicati all’interno di un adrone, l’interazione forte è diversa, decine di volte più forte dell’attrazione elettromagnetica dovuta alla loro carica elettrica. Ed è talmente forte che nessuno può osservare i quark aggirarsi da soli per il mondo. Li ritroviamo solo in compagnia all’interno degli adroni, e questa è una delle ragioni per cui ci è voluto parecchio tempo per immaginarne l’esistenza, e per verificarla con un’evidenza sperimentale.
Sotto il gluone allineo il grosso mattoncino arancione che avevamo battezzato Willy bosone, e il suo compagno bianco, Zippo. Sono i bosoni W e Z, i mediatori dell’interazione responsabile di certe forme di radioattività, che chiamiamo interazione «debole» perché la sua portata è decisamente corta: l’intensità dell’interazione debole tra due quark confinati in un adrone è circa mille volte inferiore di quella elettromagnetica, e diminuisce drammaticamente se li allontanate un po’.
Ciò che il bosone W fa – la prima magia che ha stupito la Pulce nel pomeriggio – è trasformare ogni membro delle sei famiglie di particelle allineate sul tavolo nel suo compagno. Un elettrone che emette un bosone W si trasforma in un neutrino elettronico, un quark up in un quark down, e così via. Con un meccanismo analogo, una volta prodotto, un bosone W si disintegra in una coppia familiare: un muone e un (anti-)neutrino muonico, per esempio, oppure un quark charm e un (anti-)quark beauty. Il bosone W ha anche lui una carica elettrica, positiva o negativa: il bosone W emesso da un elettrone si porta via la sua carica elettrica negativa, lasciando sul campo un neutrino elettronico, privo di carica elettrica.
Il bosone Z trasmette la stessa interazione debole del bosone W, ma è elettricamente neutro. Quando viene emesso, non trasforma la particella da cui proviene, ma la lascia inalterata. A sua volta, invece di disintegrarsi nella coppia di particelle di una certa famiglia, preferisce generare una coppia particella-antiparticella, in modo del tutto simile a ciò che fa il fotone. Le somiglianze con il fotone sono tali che i fisici a un certo punto hanno sospettato che l’interazione elettromagnetica e quella debole fossero due facce dello stesso fenomeno, che hanno battezzato «interazione elettrodebole». La differenza principale tra la manifestazione elettromagnetica e quella elettrodebole va cercata nella massa dei diversi messaggeri, che determina la portata dell’interazione. Il fotone, senza massa, trasporta l’interazione elettromagnetica a distanze virtualmente infinite. I bosoni W e Z hanno entrambi una massa considerevole, pari rispettivamente a circa ottanta e novanta volte quella del protone. Questa massa limita enormemente l’intensità della loro azione, il loro spazio di manovra, e la durata della loro vita.
La Signora delle Lettere sistema il segnalibro tra le pagine del suo romanzo e viene a ispezionare cosa sto combinando con i mattoncini sul tavolo. Le mostro la semplicità dello schema, e le spiego come le dodici particelle di materia e i mediatori delle tre interazioni sono tutto quello che ci serve per descrivere la materia e i suoi comportamenti microscopici: «Una volta passati dai mattoncini alle equazioni, lo chiamiamo Modello Standard. Da quando lo abbiamo inventato non ci ha mai traditi – le dico con un certo orgoglio –. Descrive tutto quello che vediamo, e fino ad oggi tutte le sue predizioni si sono avverate, con la precisione più estrema».
«Sembra molto semplice – fa la Signora delle Lettere –, decisamente più ordinato e comprensibile del caos che c’era sul pavimento prima di cena!».
È vero. Nella silenziosa tranquillità della serata, questo schema appare simmetrico, logico, facile da seguire. Per i fisici delle particelle della mia generazione, e per quelli che sono venuti dopo, tutto ha sempre avuto questo aspetto ordinato e semplice. L’ultimo mattoncino che ho aggiunto, il quark top, è stato scoperto un paio di anni prima che mi laureassi. All’epoca, nessuno dubitava più della sua esistenza: la simmetria dello schema era troppo perfetta, perché mancasse proprio l’ultimo tassello. Si trattava solo di scoprire che massa avesse, e di avere abbastanza energia per produrlo in un laboratorio.
Per i fisici delle generazioni precedenti le cose non sono state così semplici. Occorreva fare ordine nello zoo, trovare una logica nelle particelle che venivano scoperte l’una dietro l’altra, apparentemente senza uno schema definito. È stato un esercizio molto lungo, che ha coinvolto intere generazioni di scienziati.
Mentre giocherello con il mattoncino giallo più piccolo, lancio il mio amo con naturalezza: «Ogni epopea ha un inizio. Nel nostro caso la lunga caccia incomincia nel 1897».
La Signora delle Lettere, che ama profondamente i racconti, abbocca al volo. Si siede al tavolo, e la storia può cominciare.

 

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