Qual è la natura più fondamentale della materia? Già 2500 anni fa, i filosofi greci dibattevano su questa questione. Democrito e il suo mentore Leucippo avanzarono il modello più simile a quello accettato dalla scienza moderna. Proposero che, alla scala più piccola, il mondo fosse fatto di atomos (greco per “non tagliabile”).
Nonostante le somiglianze nei loro nomi, gli atomi di Democrito non sono la stessa cosa di ciò che oggi chiamiamo atomi. Il termine atomos intendeva descrivere il più piccolo elemento costitutivo della materia. Al contrario, sappiamo che gli atomi sono costituiti da particelle ancora più piccole: protoni, neutroni ed elettroni. E a partire dal 1964, gli scienziati hanno capito che protoni e neutroni erano a loro volta composti da particelle ancora più piccole chiamate quark.
L’elettrone sembra non avere componenti più piccole ed è membro di una classe di particelle chiamate leptoni. Esistono due varietà di leptoni: uno con una carica elettrica e l’altro elettricamente neutro. I leptoni neutri sono chiamati neutrini.
Attualmente conosciamo sei tipi di quark, con nomi un po’ bizzarri: up, down, charm, strange, top e bottom. I quark up e down si trovano all’interno di protoni e neutroni: protoni (up, up, down) e neutroni (up, down, down). Esistono anche sei tipi di leptoni, tre con carica elettrica e tre neutri. I tre leptoni carichi sono i leptoni elettrone, muone e tau. I tre leptoni neutri sono il neutrino elettronico, il neutrino muonico e il neutrino tau.
I quark e i leptoni possono essere organizzati in modo da rivelare uno schema. Inizia con un sistema di unità in cui il protone ha una carica elettrica di +1, l’elettrone ha una carica di -1 e il neutrone ha una carica di zero. In questo sistema, i quark up, charm e top hanno tutti una carica di +2/3. I quark down, strange e bottom hanno una carica di -1/3. L’elettrone, il muone e il leptone tau hanno tutti una carica di -1, mentre tutti i neutrini hanno carica zero.
Le particelle possono quindi essere raggruppate in tre famiglie distinte chiamate “generazioni“. La prima generazione contiene i quark up e down, l’elettrone e il neutrino elettronico. La seconda generazione contiene i quark charm e strange, il muone e il neutrino muonico. Infine, la terza generazione contiene i quark top e bottom, il leptone tau e il neutrino tau.
Tutta la materia ordinaria può essere composta da particelle di prima generazione. Le particelle di seconda e terza generazione sono instabili e decadono rapidamente nelle particelle di prima generazione. Sono anche progressivamente più massicce delle particelle di prima generazione.
L’origine di questo schema non è ancora compresa. Perché dovrebbero esserci tre generazioni di materia, quando il nostro universo sembra essere costituito solo da particelle di prima generazione? Questa è una delle grandi domande senza risposta della fisica.
Sebbene gli scienziati non abbiano una risposta a questa domanda, alcuni ricercatori ritengono che questo schema sia la prova dell’esistenza di particelle più piccole dei quark e dei leptoni.
Analoghi storici
La storia ci insegna che uno schema inspiegato nella fisica subatomica può spesso essere spiegato dalla presenza di particelle più piccole. Ad esempio, nel 1869 Dmitri Mendeleev inventò la tavola periodica degli elementi chimici. Organizzò insieme in colonne gli elementi con proprietà reattive simili. Gli elementi nelle prime righe sono più leggeri e diventano più pesanti nelle righe successive.
Gli scienziati della fine del XIX secolo non riuscivano a spiegare il modello che vedevano nella tavola periodica; tuttavia, ora ne comprendiamo il motivo. Gli elementi in ogni colonna avevano reattività chimiche simili perché avevano configurazioni di elettroni simili. Ad esempio, gli alcali (ad esempio, idrogeno, litio, sodio e potassio) sono reattivi a causa di un elettrone spaiato nel loro orbitale esterno. Al contrario, i gas nobili (ad esempio, elio, neon, argon, kripton e xeno) sono chimicamente inerti perché i loro orbitali sono pieni, non lasciando elettroni che interagiscono con altri atomi.
L’aumento di massa quando ci si sposta dalle righe superiori a quelle inferiori della tavola periodica è dovuto a un numero di protoni e neutroni in costante aumento. In breve, i modelli nella tavola periodica che non erano spiegati alla fine del XIX secolo sono stati pienamente spiegati all’inizio del XX secolo, quando è stata scoperta la struttura atomica.
C’è un altro esempio simile, ma meno familiare, di modelli nella fisica subatomica che alludono a una sottostruttura scoperta in seguito. Questi modelli sono stati osservati dalla metà degli anni ’40 fino alla metà degli anni ’60, un’epoca in cui i fisici hanno scoperto quello che hanno chiamato “lo zoo delle particelle“.
Utilizzando acceleratori di particelle, i fisici hanno fatto scontrare protoni o elettroni in bersagli e hanno creato particelle mai osservate prima. Sono stati scoperti centinaia di diversi tipi di particelle. Queste particelle avevano una serie di proprietà: diverse cariche elettriche, vite, masse, spin subatomici e una misteriosa proprietà chiamata “stranezza“.
La stranezza è stata assegnata alle particelle che erano facili da creare ma che decadevano lentamente. Una particella con stranezza di 1 decadeva in particelle normali. Una particella con stranezza di 2 decadeva in particelle strane, che poi decadevano in particelle normali.
Quando i ricercatori hanno organizzato le particelle scoperte nella metà del XX secolo, usando carica e stranezza come parametri organizzativi, il risultato sono stati modelli geometrici. Questi modelli sono stati spiegati invocando l’esistenza dei quark. Diverse combinazioni di quark up, down e strange hanno generato i modelli geometrici.
Struttura dei quark e dei leptoni
Attualmente, i modelli osservati nei quark e nei leptoni rimangono inspiegati, ma date le lezioni della storia, sembra ragionevole ipotizzare che quark e leptoni possano essere creati a loro volta da particelle ancora più piccole. Esiste persino un nome per queste particelle ancora non scoperte e del tutto ipotetiche. Sono chiamate preoni.
Esistono molti modelli diversi di preoni, ma nessuno è stato confermato. In effetti, ci sono ragioni per dubitare dell’esistenza dei preoni.
La prima ragione è che la dimensione di quark e leptoni non è stata osservata. Ciò non significa che non sappiamo nulla. Abbiamo utilizzato i microscopi più potenti nel tentativo di visualizzarli. La dimensione più piccola che questi microscopi possono risolvere è circa 1/1000 della dimensione di un protone. Queste misurazioni non hanno rilevato alcuna dimensione; pertanto, sappiamo che quark e leptoni devono essere più piccoli di circa 10 -18 metri. Se i preoni si trovano all’interno di quark e leptoni, devono essere ancora più piccoli.
Inoltre, le leggi della meccanica quantistica pongono un problema per oggetti di queste dimensioni.
Il principio di indeterminazione di Heisenberg afferma che non possiamo conoscere simultaneamente la posizione e il moto di un oggetto. Conoscere bene l’uno significa conoscere male l’altro. Se possiamo limitare la dimensione dei preoni a esistere all’interno di oggetti piccoli come 10-18 metri, abbiamo poca conoscenza del loro moto. Potrebbero muoversi molto velocemente, il che significa che potrebbero avere molta energia.
Ciò significa, utilizzando l’equazione di Einstein E=MC2, che i preoni devono avere una massa che è oltre 1.000 volte quella di un protone. Dato che il quark up ha una massa di circa 0,003 volte quella di un protone, ci ritroviamo nella situazione molto sconcertante in cui un oggetto con una massa di 0,003 volte quella del protone contiene al suo interno almeno un oggetto con una massa di 1.000 volte quella di un protone.
Sembra assurdo, ma non è impossibile. Potrebbe essere che ci sia una grande energia negativa che lega insieme i preoni. Se è vero, allora l’energia di legame negativa potrebbe annullare la grande energia di massa positiva dei preoni. Ma a questo punto sono solo speculazioni. L’intera idea dei preoni potrebbe essere sbagliata; in effetti, l’idea dei preoni non è molto popolare nella comunità dei fisici.
Tuttavia, la questione del perché ci siano pattern nelle famiglie di quark e leptoni rimane un mistero completo. Quei pattern ci stanno dicendo qualcosa, ma ci vorrà un colpo di genio (e un po’ di buon lavoro sperimentale) per dirci cosa.
