Il modello standard
Introduzione e nomenclatura
Mer, 20/06/2007 - 13:18 — michele_bonaventuraAutore:
Il modello standard
Il concetto di atomo è forse il più divulgato tra quelli usati nel mondo scientifico.
Oggi tutti sappiamo che l’atomo non è – come il suo nome ambiva inizialmente ad indicare – un’entità indivisibile, ma è composto da (almeno) tre particelle.
Al contempo diverse scoperte nel mondo della fisica hanno dimostrato l’esistenza di altre particelle, diverse dagli atomi, che fanno ormai parte dell’insegnamento universitario e che sono riconosciute come parte integrante di quello che chiamiamo modello standard.
Il modello standard è l’insieme di regole matematiche e concetti fisici che permette di calcolare e di descrivere il comportamento di tutte le particelle elementari attualmente osservate (più una ancora inosservata e con la parziale eccezione dei neutrini), quando la loro dinamica è influenzata dalle tre forze elementari note come elettromagnetismo, forza elementare debole e forza forte.
Il modello standard non è una teoria completa (non descrive la totalità dei fenomeni fisici) ed è piuttosto da immaginare come un immenso puzzle la cui costruzione è cominciata agli inizi del novecento; dapprima sono giunte le particelle che compongono la materia comune, poi mano a mano si sono aggiunte nuove ed esotiche predizioni di particelle instabili, sempre puntualmente confermate dall’esperienza qualche anno più tardi.
Il modello standard divide le particelle in due grandi, fondamentali famiglie:
- i fermioni sono particelle dotate di massa, e sono loro che formano la materia ordinaria di cui si compongono tutte le sostanze. Sono caratterizzati da un numero, chiamato spin, con valore semi-intero (come un mezzo, tre mezzi, cinque mezzi, eccetera). Lo spin rappresenta una proprietà non intuitiva delle particelle: se facessimo un corrispettivo con una biglia lo spin rappresenterebbe la rotazione della biglia su se stessa. Il paragone è però piuttosto grossolano, se si pensa ad esempio che le particelle sono puntuali, non hanno cioè estensione.
- I bosoni sono particelle con spin intero (a volte con massa e a volte no) e sono responsabili della comunicazione nel mondo subatomico. Più precisamente si occupano di trasportare le forze elementari. Ogni forza ha il proprio bosone, come ogni nobile casa ha la propria bandiera. Due fermioni che interagiscono grazie ad una forza si scambiano dei bosoni, potremmo associarli ad araldi con stendardi al vento che trasportano informazioni.
Le componenti essenziali degli atomi sono l’elettrone, il quark up e il quark down.
I quark up e down (scoperti – come i nomi lasciano indovinare – negli anni sessanta) sono particelle con carica elettrica di un terzo e due terzi (positive o negative). Combinate per gruppi di tre possono formare particelle con carica intera.
Ad esempio up ha carica 2/3, down ha carica -1/3. Un terzetto up-up-down ha carica 2/3+2/3-1/3=1.
Il protone, la particella con carica positiva che forma i nuclei atomici, è proprio formato da questo terzetto, due quark up e un quark down.
Il gioco può essere esteso ad altre particelle, ad esempio un quark up e due quark down hanno carica 2/3-1/3-1/3=0
Up-down-down forma un’altra particella famosa, il neutrone, che popola insieme al protone il nucleo degli atomi.
In generale qualsiasi combinazione che dia vita ad una particella con carica intera può esistere; invece quark solitari, o combinazioni che diano vita a particelle con cariche frazionarie non possono esistere.
Se cerchiamo di strappare un quark da un protone ci accorgiamo che l’energia necessaria è grandissima, così grande da essere sufficiente a creare una nuova coppia di quark. Strappando il quark insomma ci ritroviamo con una situazione del genere: tiriamo sempre più forte fino a quando qualcosa viene via - una particella composta da due quark - lasciando il nostro protone inalterato. La particella “estratta” è il risultato dell’energia fornita nel processo.
Un po’ come se cercando di raccogliere funghi foste costretti a tirare come forsennati fino a quando vi ritrovate in mano un ciuffo d’erba e il fungo è sempre lì.
Ogni quark ha un proprio gemello antiquark, una particella quasi-identica, ma con carica opposta. Anti-up avrà quindi carica -2/3 e antidown 1/3.
Soltanto giocando con questi quattro vi accorgerete che è possibile formare tantissime combinazioni con cariche globalmente intere. Ogni combinazione equivale ad una particella, e ogni particella è stata puntualmente osservata in laboratorio.
A fianco dei quark up e down esistono altre due famiglie, i quark strange e charme e i quark top e bottom (a volte anche beauty secondo le nomenclature). Ognuno ha poi ovviamente un proprio antiquark. Sei quark e sei antiquark fanno in totale dodici “mattoni” con i quali si possono costruire moltissime particelle, dai nomi esotici e complicati.
Generalmente si cerca di classificarli in famiglie, aggiungendo nuovi nomi: ad esempio i gruppi di due quark si chiamano mesoni, i gruppi di tre quark si chiamano barioni, e recentemente sono stati predetti e in parte osservati anche dei tetraquark e pentaquark.
È facile perdersi in questa nomenclatura, soprattutto se si pensa che esistono termini vecchi e ormai in disuso che a volte vengono a sovrapporsi.
Ad affiancare i quark, che sono particelle legate ai nuclei atomici esiste anche una seconda famiglia, i leptoni.
I leptoni hanno quale principale rappresentante della loro stirpe l’elettrone, la particella con carica negativa che gira intorno al nucleo atomico.
L’elettrone è il leptone appartenente alla prima famiglia, quella dei quark uo e down. Ogni famiglia di quark ha però un suo leptone specifico. Nel caso di strange e charme il leptone si chiama muone, nel caso di top e bottom si chiama taone.
Ogni leptone ha ovviamente la sua antiparticella; in più associati ad ogni leptone ci sono un neutrino e un antineutrino (detti neutrini elettronici muovici o taonici a seconda della famiglia di appartenenza).
La famiglia dei bosoni è molto meno numerosa: si compone in sostanza del fotone (anche chiamato quanto di luce) che trasporta l’interazione elettro-magnetica) dei gluoni (ce ne sono otto) che si occupano della forza all’interno dei nuclei, e dei bosoni W e Z che si occupano della radioattività di tipo beta.
Infine esiste un quarto bosone chiamato Higgs, la cui utilità sarebbe conferire massa alle particelle. La sua esistenza è stata predetta ma non è stato ancora osservato nessun bosone di Higgs. Si spera di riuscirci l’anno prossimo (2008).
Bibliografia:
http://it.wikipedia.org/wiki/Modello_standard_(fisica)
ISBN/EAN:
000
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Commenti
(la sezione scienze vola! Complimenti di cuore, ragazzi. State andando alla grande. Mi spiace non potervi sostenere come meritereste)
E a breve arriva qualcosa sul nucleo atomico e sull'antimateria.
"Il modello standard divide le particelle in due grandi, fondamentali famiglie:
- i fermioni sono particelle dotate di massa, e sono loro che formano la materia ordinaria di cui si compongono tutte le sostanze.
- I bosoni sono particelle con spin intero e sono responsabili della comunicazione nel mondo subatomico.
dal presente articolo
mentre da fluidi e superfluidi dici:
"La superfluidità è una proprietà dei bosoni (cfr. l?energia oscura); è stato infatti scoperto che solo l?elio 4 (2 neutroni + 2 protoni) che è un bosone diventa superfluido.
L?elio 3 (1 neutrone + 2 protoni) che è un fermione passa allo stato superfluido solo quando diventa superconduttore "
ora c'è qaulcosa che non mi torna: se l'elio 4 è un bosone... ma ha massa, e non viene scambiato quando due particelle interagiscono... non mi dirai che l'elio è una bandiera di una nobile casa... minchia è un elemento. c'è qualcosa che mi sfugge
p.s. abbi pietà di un povero astigmatico. giustifica i tuoi testi. belli allineati sono molto più leggibili...
>1 e ancora siamo in pochi... vedrai vedrai. Intanto complimenti a te per aver creato qualcosa come lankelot
5. e questo è niente. Avessi fondi e pubblicità adeguata altrove, vedresti fuochi d'artificio. Grazie a voi.
3> Non è che i bosoni di massa non ne abbiano. Alcuni sì, altri no. Formalmente è un bosone qualsiasi particella che obbedisce alla statistica di Bose-Einstein, quella dei vagoni italiani per intenderci (cfr. superfluidi).
Tra le particelle elementari sono bosoni i mediatori di forze, ma una volta abbandonato il campo delle particelle elementari, sono bosoni anche tutti gli aggregati in numero pari di fermioni. Ad esempio: atomo di idrogeno = 1 elettrone e 1 protone = 1 elettrone e 3 quark = 4 fermioni. 4 è pari dunque l'idrogeno è un bosone.
Atomo di elio3 = 2 protoni + 1 neutrone + 2 elettroni = 9 quark + 2 elettroni = 11 fermioni, 11 è dispari dunque elio3 è un fermione.
elio 3 superfluido diventano coppie di elio 3 "unite", dunque strutture di 22 fermioni, dunque un bosone.
Di solito nell'ambito delle particelle elementari non ci si interessa ad oggetti con struttura, quindi quando parlo di bosoni qui, mi riferisco solo ai mediatori di forze e a Higgs.
Huston vi abbiamo perso
Il meccanismo è semplice: prova con questa analogia.
I fermioni sono numeri dispari e i bosoni pari.
Se sommi numeri pari tra loro ottieni sempre dei pari giusto? Per analogia se metti insieme dei bosoni ottieni altri bosoni.
Invece se sommi dei dispari a volte il risultato è pari, altre dispari.
Più dettagliatamente: se sommi un numero pari di volte dei numeri dispari il risultato è pari.
Se prendi quattro fermioni e formi un atomo di idrogeno, la somma di quattro numeri dispari da un numero pari. Pari = bosone, quindi l'idrogeno è un bosone.
Meglio?