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LeptoniMesoniBarioni< Nucleogenesi, l'origine degli elementi | IntroduzioneFisicaMateria.Indice | Esperimenti fondanti > Un poco di storia Un brevissimo escursus storico aiuta a fissare alcuni passaggi di una storia complessa ed ancora in evoluzione. Serve per dare il vocabolario con cui raccontare schematicamente tre, quattro capitoli significativi e le grandi linee della modello standard, che è la base della nostra comprensione attuale degli esperimenti di alte energie e della storia dell'universo in cui viviamo. In seguito si fornisce una ulteriore lista succinta di esperimenti fondanti La comprensione della realtà fisica nei termini di particelle elementari parte dagli atomi di Democrito (V sec. a.C.) e di Lucrezio (I sec. a.C.), mere ipotesi filosofiche. Evolve con la scoperta delle leggi chimiche (Proust, 1799) alla base della tavola periodica di Mendeleev (1869). Si concretizza con le scoperta dell'elettrone, dovuta a J. J. Thomson, e della radioattività dell'uranio, da parte di Antoine Henri Becquerel, entrambe nel 1896, subito dopo la produzione dei raggi X da parte di Wilhelm Conrad Röntgen (1895). I passi successivi coincidono con la fondazione della fisica dei nuclei, che si è vista nelle pagine precedenti. Sono scanditi dalla identificazione delle particelle alfa come nuclei di elio (Ernest Rutherford, 1907, studiate e utilizzate fin dal 1899), da quella del protone come nucleo d'idrogeno (Rutherford, 1919), e del neutrone, misurato da James Chadwick nel 1932. Con questi attori principali il concetto di particella elementare era ben chiaro e di grande successo: costituenti primi, indivisibile della materia, con questi mattoni si costruisce tutta la materia nota. E infatti con elettroni, protoni e neutroni si costruiscono gli atomi. Una ulteriore particella è il fotone, o quanto del campo elettromagnetico, oggetto privo di massa già implicito nella spiegazione di Einstein dell'effetto fotoelettrico. Nel frattempo si è accumulata evidenza di un'altra distinzione a cui si è già accennato, la classificazione delle forze fondamentali. Oltre alla forza di gravità e alla forza elettromagnetica esistono altre due interazioni nucleari distinte, l'interazione nucleare forte, responsabile del legame nel nucleo, e l'interazione nucleare debole, responsabile del decadimento beta. Purtroppo la nozione semplice di particella elementare incomincia ad incrinarsi prima di essere completato. Nel 1928 Paul Adrien Maurice Dirac trova il modo per scrivere l'equazione d'onda della meccanica quantistica che sostituisce quella di Schroedinger e soddisfa la relatività speciale. Si vede presto che essa postula l'esistenza dell'antimateria, ossia si particelle di pari massa e carica opposta a quelle note. In particolare un anti-elettrone positivo, o positrone, un anti-protone negativo e un anti-neutrone. Nel 1932 Carl D. Anderson dimostra l'esistenza del positrone in raggi cosmici con fotografie di camera a nebbia. Misura la sua massa e la sua carica positiva attraverso il raggio e il verso di curvatura in campo magnetico, prima e dopo una lastra di metallo che ne riduce l'energia cinetica. Le particelle elementari raddoppiano in numero. Nel 1935 Hideki Yukawa postula, con argomenti teorici che abbiamo già illustrato, l'esistenza di una particella che media l'interazione nucleare, nello stesso modo in cui il fotone media l'attrazione e la repulsione tra cariche. Il calcolo predice una energia di massa a riposo di circa cento MeV, molto maggiore di {$m_e$} e un ordine di grandezza inferiore a {$m_p, m_n$}. La si battezza mesone, sia perchè media, sta in mezzo, sia perchè sembra esserci una gerarchia semplice di masse: l'elettrone, leggero (leptone), il protone e il neutrone, pesanti (barioni) e il mesone, di massa intermedia. La terminologia riproduce infatti i lemmi greci per pesante, leggero e di mezzo. L'anno successivo (1936) Carl D. Anderson trova una particella con la massa prevista. Si tratta in realtà del muone, un nuovo leptone, ossia una particella affine all'elettrone. Il nome che fa riferimento alla massa resta, ma perde il significato originario. Bruno Rossi (1940) mostra che il muone decade (con un decadimento debole, affine al decadimento beta, si vedrà poi) troppo lentamente per essere coinvolto nelle interazioni nucleari forti. Marcello Conversi, con Pancini e Piccioni (1946) dimostra che la particella non partecipa al legame nucleare, dato che la probabilità di restare intrappolata nel nucleo dipende da Z, e non già dal potenziale nucleare medio, che si è visto essere indipendente da A. Nel 1947 Cecil Powell e Giuseppe Occhialini rivelano con emulsioni fotografiche in alta quota alcuni eventi contenenti tracce di decadimenti doppi. Le tracce sono lasciate da particelle cariche e permettono di determinarne l'energia. La tipica traccia mostra una particella finora ignota (il mesone {$\pi$} o pione), di massa simile a quella di Yukawa, che decade in una particella di massa leggermente inferiore, la quale a sua volta decade in un elettrone. Si risolve così il paradosso di un mesone che non interagisce con i nuclei: il pione è il mesone di Yukawa, ma decade molto rapidamente in un muone. La traccia complessiva dell'esperimento di Powell e Occhialini ha la forma di una zeta, e ciascun vertice rappresenta un decadimento. Il grande angolo tra la particella che decade e il prodotto del decadimento mette in evidenza in entrambi i vertici un grande momento lineare mancante, ossia l'esistenza di una o più particelle neutre che si portano via il momento mancante senza lasciare traccia. Dall'analisi quantitativa di questi dati Wolfgang Pauli propone l'esistenza di una particella neutra di massa nulla o molto piccola, il neutrino, già postulato per giustificare lo spettro d'energia del decadimento beta. Data l'assenza di carica elettrica, il neutrino interagisce molto debolmente con la materia ed è quindi difficile da rivelare. Viene individuato per la prima volta da Clyde Cowan e Frederick Reines nel 1956 con un esperimento di cattura-K. Nel 1962, Leon M. Lederman, Melvin Schwartz and Jack Steinberger dimostrano che il neutrino muonico è una particella distinta dal neutrino elettronico. A questo punto esistono almeno 13 particelle elementari: {$e^\mp, p^\pm, n, \overline{n}, \pi^\pm, \pi_0, \mu^\mp, \nu_e, \nu_\mu$}, ma è solo l'inizio. Infatti a partire dal 1930 si costruiscono acceleratori di particelle per produrre in laboratorio con maggiore frequenza gli eventi che nei raggi cosmici avvengono spontaneamente, ma con bassa probabilità. Un esempio già visto è quello dell'esperimento di Hofstadter (1960) che mostra la struttura spaziale dei nuclei. Con questi strumenti si iniziano a rivelare nuove particelle, il mesone {$\kappa$} o kaone e gli altri barioni {$\Lambda$}, {$\Sigma$}, {$\Xi$}, e infine un nuovo leptone {$\tau$}, ... Il quadro riassuntivo è che, lungi dal realizzare la promessa iniziale, il concetto di particella elementare sembra dar origine ad una complicata zoologia, con un numero sempre crescente di specie via via che cresce l'energia degli esperimenti negli acceleratori. Il tentativo di razionalizzazione parte dal classificare i cosiddetti numeri quantici di tutte le particelle scoperte. Ciascuno di essi descrive una nuova regolarità (una legge di conservazione) riscontrata nell'analisi degli esperimenti. La strategia si rivela utile perchè dalle regolarità emergono nuove simmetrie che guidano nella formulazione di una o più descrizioni teoriche. Queste descrizioni vengono fatti confluire in un un modello cosiddetto standard, in grado di inglobare tutte le teorie con capacità predittiva calcolabile attualmente note. Si riassumono qui sotto i concetti fondamentali che si illustrano in questa parte del corso, per dare un'idea del modello standard:
Note Come si vede sperimentalmente che [[http://quantummechanics.ucsd.edu/ph130a/130_notes/node323 .html| il pione ha parità dispari]] Come si deduce che il pione ha parità dispari e spin nullo < Nucleogenesi, l'origine degli elementi | IntroduzioneFisicaMateria.Indice | Esperimenti fondanti > |