L’universo è un posto grande, ma è fatto di piccoli pezzi chiamati particelle. La tavola periodica include elementi come ossigeno, carbonio e altri elementi costitutivi che compongono stelle, gatti o tazze di caffè.
Ma dall’inizio del XX secolo, gli scienziati hanno pensato e trovato particelle fondamentali sempre più piccole, quelle più piccole degli atomi che riempiono l’universo. Quindi quale di queste particelle fondamentali è la più piccola? E, al contrario, qual è il più grande?
Don Lincoln, uno scienziato senior del Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), vicino a Chicago, è uno degli scienziati che cercano di rispondere a questa domanda.
Al Fermilab, gli scienziati usano un acceleratore di particelle per frantumare le singole particelle e osservarne i residui, o possibili nuove particelle fondamentali, che ne escono. Secondo Lincoln ci sono due modi per misurare la dimensione delle particelle: indagare sulla loro massa e misurare la loro dimensione fisica.
I fisici usano gli elettronvolt (eV) per misurare la massa delle particelle subatomiche, ha detto Lincoln.
Tecnicamente, l’unità è eV/c^2, in cui c è la velocità della luce. Un elettronvolt equivale a circa 1,6×10^-19 joule. Per semplificare le cose, i fisici usano un insieme di unità in cui la velocità della luce è 1. Per calcolare la massa di una particella subatomica, quindi, si usa la famosa equazione di Albert Einstein E=mc^2 per ottenere la massa (m) in chilogrammi.
Un elettrone pesa 511.000 elettronvolt, che equivale a 9,11 x 10^-31 chilogrammi, secondo Lincoln. Per fare un confronto, un tipico protone nel nucleo di un tipico atomo pesa 938 milioni di elettronvolt, o 1,67 × 10^-27 kg.
Al contrario, la particella fondamentale più grande (in termini di massa) che conosciamo è una particella chiamata quark top, che misura ben 172,5 miliardi di elettronvolt, secondo Lincoln.
I quark sono un’altra particella fondamentale che, per quanto ne sappiamo, non può essere scomposta in più parti. Gli scienziati hanno trovato sei tipi di quark: up, down, strange, charm, bottom e top.
I quark up e down costituiscono protoni e neutroni e pesano rispettivamente 3 milioni e 5 milioni di elettronvolt. In confronto, il quark top pesa 57.500 volte di più del quark up.
La domanda sulla dimensione fisica è più complessa. Conosciamo la dimensione fisica di alcune particelle, ma non di quelle più piccole. Alcune particelle “minuscole” di cui le persone sentono parlare nella vita quotidiana, come le particelle di virus, sono in realtà piuttosto grandi.
Lincoln ha offerto questo senso di scala: una tipica particella virale è lunga circa 250-400 nanometri (un nanometro è un miliardesimo di metro, o 10^-9 m), e il tipico nucleo atomico misura circa 10^-14 m (0.00000000000001 m). Ciò significa che un nucleo atomico è piccolo per un virus quanto un virus lo è per noi.
Attualmente, la dimensione fisica più piccola che gli scienziati possono misurare con un acceleratore di particelle è 2000 volte più piccola di un protone, o 5 x 10^-20 m. Finora, gli scienziati sono stati in grado di determinare che i quark sono più piccoli di così, ma non di quanto.
Pubblicato originariamente su Live Science.
