Quark

Quark  Fis. Nome dato a un'ipotetica particella elementare che dovrebbe costituire gli adroni .


u Fisica


I  quark, introdotti nel 1963 come ipotesi di lavoro dal fisico teorico americano M. Gell-Mann, hanno stati di carica elettrica frazionaria (2/3, - 1/3, - 1/3), costituendo un doppietto e un singoletto di spin isotopico. Successivamente R. Feynman li utilizzò per spiegare la copiosa produzione di adroni nei processi di collisione fra positoni ed elettroni. La figura mostra lo schema secondo il quale un quark e il corrispondente antiquark, formatisi nel processo di collisione fra un positone e un elettrone, possono dare origine alla formazione di cinque adroni.

In seguito le conoscenze sui quark si sono estese e approfondite; è convinzione che il modello a quark degli adroni e la quantocromodinamica siano un'adeguata, anche se non del tutto completa, descrizione degli adroni medesimi e delle loro interazioni.

Che le cosiddette particelle elementari (protoni, neutroni, mesoni pi-greco, ecc.) non fossero per nulla elementari, ma formate da costituenti più semplici, fu riconosciuto molti anni or sono; l'osservazione, per es., che il neutrone, pur essendo elettricamente neutro, presenta un momento magnetico diverso da zero, il numero e la varietà di particelle adroniche che furono scoperte tra gli anni Cinquanta e Sessanta, la possibilità di raggrupparle in multipletti di particelle con caratteristiche simili, ecc. erano indizi più che sufficienti per ritenere che gli adroni fossero compositi. Inoltre alcuni risultati di esperimenti di diffusione di elettroni e neutrini ad alta energia (ca. 10 GeV) erano interpretabili assumendo all'interno dei nucleoni la presenza di costituenti puntiformi (detti anche partoni). Queste misure fornivano un risultato in un certo senso analogo a quello dell'esperimento di Rutherford sulla diffusione delle particelle alfa che portò alla formulazione dell'esistenza, all'interno degli atomi, di un nocciolo duro, il nucleo, nel quale erano concentrate la massa e la carica positiva. Si ritiene che esistano sei quark raggruppati in tre famiglie e così indicati:

Tutti i quark hanno spin 1/2 (in unitΰ ®), sono cioè dei fermioni; essi hanno carica elettrica frazionaria (se misurata in unità di carica elettronica) e numero barionico B = 1/3; inoltre sono caratterizzati da altri numeri quantici: spin isotopico e sua terza componente, numero di stranezza, incanto, verità e bellezza. Per dire in breve che i sei quark sono tra loro distinti — in quanto hanno almeno uno dei numeri quantici diverso — si dice che hanno un diverso “sapore”, in contrapposizione a un'altra loro caratteristica, il “colore”. Gli stessi numeri quantici distinguono anche gli adroni, che si diranno strani, incantati, ecc., a seconda del loro contenuto di quark. Gli antiquark (u, d, s,…) hanno lo stesso spin e spin isotopico dei quark e tutti gli altri numeri opposti. Commentiamo brevemente il significato di questi numeri quantici. Lo spin isotopico o isospin consente di associare particelle con proprietà molto vicine (uguale spin, numero barionico, stranezza, ecc. e piccole differenze di massa) in multipletti i cui componenti si distinguono per la diversa terza componente dell'isospin medesimo e per il valore della carica elettrica. Terza componente dell'isospin, carica elettrica, numero barionico e altri numeri quantici sono legati dalla relazione (valida per quark e adroni):

Q = I3 + B/2 + (S + C + T + B)/2.

Così, per es., p e n costituiscono un doppietto di isospin 1/2 e terza componente + 1/2 e ­ 1/2 rispettivamente; p+ pΊ p­ un tripletto di isospin 1 e terza componente + 1,0 e ­1. I numeri quantici S, C, B e T sono conservati dalle cosiddette interazioni forti e dalle interazioni puramente elettromagnetiche, mentre sono violati dalle interazioni deboli; questo fatto ha permesso di riconoscerne l'esistenza. Il primo numero quantico di questo tipo, la stranezza S, fu introdotto negli anni Cinquanta per spiegare i fatti seguenti: la produzione di particelle quali KΊ e LΊ avveniva facilmente per es. nell'urto p ­ p; la reazione tipica è p­pDKΊLΊ, il mesone K e il barione L erano riconosciuti per i loro decadimenti (KΊD pp, LΊDpp). Per interpretare questi fatti ricordiamo che le interazioni forti sono caratterizzate (alle energie dell'ordine della massa del nucleone) da sezioni d'urto di qualche decina di millbarn (10­27 cm²) e da tempi di decadimenti di 10­22 s; mentre le interazioni deboli da sezioni d'urto 10ΉΊ volte più piccole e da vite medie di 10­10 s o più lunghe. Tutte le caratteristiche della produzione di K e L erano tali da far classificare il processo di produzione di queste particelle come un'interazione forte; tuttavia non si osservava la produzione di una singola K o di una singola L (per es. ppDpL non era stato osservato); inoltre K e L decadevano con vite medie caratteristiche delle interazioni deboli. Questo insieme di fatti apparentemente contraddittori è stato spiegato introducendo un nuovo numero quantico, la stranezza appunto, che deve essere conservato nelle interazioni forti (da qui la produzione associata di due particelle strane) ma che è violato in quelle deboli. Così, attribuendo S = + 1 a KΊ, S = ­1 a L, S = 0 a p e protone, il processo di produzione non viola la stranezza; il processo di decadimento invece la viola e quindi può essere dovuto solo a un'interazione debole.

Diversa la serie di osservazioni sperimentali che portarono all'introduzione del numero quantico e di incanto, già previsto da alcuni modelli e la cui esistenza fu verificata sperimentalmente con la scoperta della particella J/ y e successivamente con l'osservazione diretta di particelle “incantate”. La J/ y pur avendo una massa di più di 3 volte la massa del nucleone, non decade in modo “forte” in pioni, come per questo ci si aspetterebbe. Si è supposto quindi che la J/ y sia formata da una copia di quark “charm-anticharm” e quindi che possa decadere in modo forte solo in una coppia di mesoni incantati (o, come si dice più comunemente, “charmati”). Se però, come è stato poi verificato, i mesoni charmati più leggeri hanno massa superiore alla metà della massa della J/ y, il modo “naturale” di decadimento della J/ y è proibito e quindi essa può decadere solo, via un'interazione debole, in coppie di leptoni o in mesoni, ma con velocità e rapporti di decadimento nei vari canali caratteristici delle interazioni deboli. Analogamente, dopo l'osservazione del mesone g di massa ca. 10 masse nucleoniche, è stato introdotto il quark b. L'esistenza del quark t è prevista da tutti i modelli più comuni sulla costituzione degli adroni, ma la sua esistenza non è ancora stata sperimentata con assoluta certezza.

I barioni sono costituiti da tre quark (detti anche quark di valenza) in modo che il numero barionico B risulti 1; essi, essendo formati da un numero dispari di quark, hanno spin semi-intero, cioè sono dei fermioni. Per es., il protone è costituito da uud, il neutrone da udd, la LΊ (che ha stranezza ­1) da uds e così via. I mesoni sono formati da coppie quark-antiquark e quindi hanno spin intero e numero barionico nullo; per es. il p² è formato da ud, la K+ da su, ecc. Molto importante è il caso della W­, un barione osservato alcuni anni fa, di massa 1.670 MeV, spin 3/2, B = 1 e stranezza ­3. La W­ deve quindi essere costituita da 3 quark s: W­ = sss. I tre quark s sono però tutti nello stesso stato, cioè hanno tutti i numeri quantici uguali; ma sappiamo che ciò è proibito dal principio di esclusione di Pauli. Deve esistere perciè un'ulteriore caratteristica che distingue i quark di uguale sapore. Questo nuovo numero quantico è stato chiamato colore (si noti che i termini di sapore e colore, come del resto quelli di stranezza, bellezza, ecc., sono di pura fantasia e non hanno alcuna relazione con il significato usuale). I dati sperimentali sono in accordo con l'ipotesi che esistano tre colori distinti, denominati convenzionalmente con rosso, verde e blu. La W­ risulterebbe perciò composta da srsv sb, soddisfacendo il principio di Pauli. Poichè non esiste nessuna caratteristica degli adroni riconducibile al colore, si deve anche supporre che ogni adrone sia composto da colore diverso, con uguali percentuali di ciascun colore, così che il risultato finale sia assenza di colore (rosso + verde + blu = nessun colore).

I quark sono legati tra loro da gluoni, che sono i mediatori delle interazioni forti o, come sarebbe meglio dire, delle interazioni di colore. Si suppone che esistano 8 gluoni, che sono dei bosoni vettoriali intermedi, analoghi, in un certo senso, al fotone, che è responsabile delle interazioni elettromagnetiche, e a W e ZΊ responsabili di quelle deboli. A differenza però dei fotoni, che non trasportano carica elettrica, i gluoni sono colorati, cioè trasportano una carica di colore; questo fatto ha importanti conseguenze sulla formulazione matematica della teoria cromodinamica, che risulta più complessa dell'elettrodinamica quantistica.

I barioni e i mesoni sono raggruppabili in supermultipletti di particelle di uguale spin e parità intrinseca, con regole matematiche che discendono dalla teoria dei gruppi. Per semplicità consideriamo uno dei sottomultipletti dei barioni con spin 1/2 che si può costruire con i soli quark u, d e s e cioè il ben noto “ottetto dei barioni”, le cui particelle componenti sono note da molti anni. Esso è rappresentato nel disegno; questo ottetto fa parte di un 20-pletto che comprende anche barioni charmati. Si noti che sui due assi si hanno la terza componente dello spin isotopico e la stranezza, al centro dell'esagono si hanno due particelle, la SΊ, che fa parte del tripletto di spin isotopico delle S, e la LΊ, che è un singoletto di spin isotopico.

Il disegno che segue rappresenta invece uno dei multipletti dei mesoni, quello dei mesoni con spin nullo e parità intrinseca negativa; sui tre assi sono riportati la terza componente dell'isospin, la stranezza e l'incanto.

Il modello a quark ha avuto molto successo nel predire le caratteristiche delle particelle già osservate, l'esistenza di particelle non note al momento della formulazione del modello stesso e le caratteristiche delle interazioni tra gli adroni. Esso è anche particolarmente efficace per descrivere certe caratteristiche degli adroni rispetto alle interazioni deboli. Quando si tratta di queste interazioni, in luogo dei quark d, s e b si devono considerare delle opportune “miscele” di quark, in conseguenza del fatto che i numeri quantici di stranezza, incanto, ecc. non sono conservati nelle interazioni di questo tipo.

Il modello a quark e gluoni descrive moltissimi aspetti della struttura degli adroni e delle loro interazioni e non vi sono, per ora, indicazioni sperimentali che lo contraddicano. Quark e gluoni però non sono mai stati osservati liberi; questo fatto ha portato al cosiddetto problema del confinamento dei quark negli adroni cioè al problema della non osservabilità, almeno nel senso usuale che tale parola assume nella fisica subnucleare, di questi costituenti. Sebbene esistano molti modelli per spiegare questo fatto, la situazione non può essere ancora ritenuta completamente soddisfacente.

Esistono anche modelli che prevedono una struttura dei quark, cioè l'esistenza di costituenti più elementari dei quark medesimi; al momento però non vi sono indicazioni sperimentali evidenti di tali sottostrutture. Infine si noti l'analogia formale tra le famiglie di quark e quelle dei leptoni, cioè degli altri costituenti fondamentali la materia. Le due famiglie hanno lo stesso numero di componenti; quark e leptoni sono entrambi fermioni e si comportano come particelle puntiformi, e così via. Questa simmetria rende particolarmente semplice e attraente questo tipo di descrizione della materia.