1964

Murray Gell-Mann (1929) e George Zweig (1937) postulano l'esistenza dei quark, con carica frazionaria, che in numero di tre (up, down, strange) vanno a comporre mesoni e barioni.

Tra il 1950 e il 1960, i nuovi acceleratori e attrezzature sperimentali portarono alla scoperta di molte nuove particelle elementari. Si arrivò a un elenco di un centinaio di particelle di cui non si comprendeva natura e legami.

Fino al 1964 la situazione teorica relativa al mondo nucleare e subnucleare era la seguente:

• Si consideravano le particelle (protoni, neutroni, pioni, kaoni, ecc.) come elementari;
• Si pensava che l’interazione forte, debole e elettromagnetica fossero fenomeni indipendenti che richiedevano teorie diverse per la loro comprensione.
• Si facevano numerosi tentativi di classificazione che aiutassero a elaborare una teoria capace di spiegare in modo soddisfacente l’esistenza e le proprietà di tutte le particelle.

Tra il 1964 e il 1979, l’intero settore della fisica delle particelle subì un profondo cambiamento:

• Fu costruito quello che fu chiamato modello standard basato su un insieme di particelle fondamentali di spin ½ chiamate “quark” e “leptoni” utili a descrivere la struttura e il comportamento di tutte le forme di materia (gravitazione esclusa), comprendendo atomi, nucleoni e particelle strane;
• Tutte e tre le interazioni, forte, debole e elettromagnetica furono descritte dalle teorie quantistiche dei campi.

La svolta si ebbe nel 1961 quando alcuni fisici (Yuval Ne’eman e Murray Gell-Mann) abbandonarono l’idea che alcuni degli adroni fossero gli elementi costitutivi di tutti gli altri e cominciarono a suddividere gli adroni in famiglie tramite la nozione matematica di ‘gruppo’. Una importante tappa fu raggiunta nel 1964, quando Murray Gell-Mann e George Zweig, indipendentemente, proposero che gli adroni (le particelle subnucleari soggette alla forza nucleare forte, come i protoni e i neutroni o come i pioni) fossero composti da nuove particelle elementari di carica elettrica relativa pari a 1/3 o suoi multipli della carica dell’elettrone.

Gell-Mann diede a questi oggetti il nome quark, nome tratto, come lui stesso ci rivela, da un racconto di James Joyce dove risuona il grido “Three quarks for Muster Mark”. La presenza del numero tre e l’assonanza con la parola quota determinarono la scelta del nome.

Nella teoria di Gell-Mann era, infatti, tre il numero di quark necessari a formare un neutrone o un protone.

I quark, oltre ad avere carica frazionaria, sono caratterizzati da “proprietà”, dette “sapori” (quark up e quark down) o “colori” (rosso, verde e blu) che li differenziano gli uni dagli altri.

Un protone, che nelle stesse unità in cui l’elettrone ha carica elettrica -1, ha carica elettrica +1: è dunque formato da due quark u, di carica 2/3 e un quark d, di carica -1/3. I due quark u e il quark d hanno tutti colore “diverso” così che la loro combinazione appaia “bianca”.

Un neutrone invece consiste di un quark u e due quark d, anch’essi di tre colori diversi.

I quark hanno l’importante proprietà di essere “confinati” permanentemente all’interno di particelle bianche come il neutrone o il protone.

Negli anni il numero di quark con “sapori” diversi è diventato 6: ai quark up (su) e d (giù) sono stati aggiunti il quark strange (strano) associato al mesone K, il quark charm (fascino) scoperto nel 1974 con la particella J/ψ, il quark bottom (basso) osservato nel 1977 con la particella Y e infine il quark top (alto), il quark con massa maggiore che fu osservato per la prima volta al Fermilab nel marzo del 1955. Ogni quark ha il suo antiquark.

La scoperta dei quark favorì la costruzione del Modello Standard, una teoria che descrive i componenti primi della materia e le loro interazioni (esclusa la gravità). Esso costituisce una teoria di campo quantistica in cui ciascuna interazione tra i campi di materia può interpretarsi in termini di scambio di particelle dette bosoni: il fotone, mediatore dell’interazione elettromagnetica, i bosoni W e Z che mediano la forza debole, i gluoni che mediano la forza forte agendo tra i quark.

Il Modello standard divide le particelle fondamentali in due tipi: i fermioni (leptoni e quark) con spin semintero e i bosoni con spin intero.

Ad oggi, essenzialmente tutte le verifiche sperimentali del Modello Standard si sono dimostrate in accordo con le previsioni; nonostante ciò, il Modello Standard non può considerarsi una teoria completa delle interazioni fondamentali, dal momento che non include una descrizione della gravità e non è compatibile con la relatività generale. Ecco allora la necessità di cominciare a esplorare oltre la scala elettrodebole, alla ricerca di simmetrie o dimensioni più estese di quelle che oggi caratterizzano il Modello Standard.

Bibliografia

• Murray Gell-Mann, Il quark e il giaguaro, Avventure nel semplice e nel complesso, Bollati Boringhieri, Torino, 1996
• Yuval Ne’eman Kirsh, Cacciatori di particelle, Bollati Boringhieri, Torino, 1998
• Tom Siegfried, L’Universo strano, idee al confine dello spazio-tempo, Dedalo, 2007
• Lillian Hoddenson, Lauire Brown, Michael Riordan and Max Dresden, The Rise of the Standard Model: A History of Particle Physics from 1964 to 1979, Cambridge University Press, 1997.
• http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1969/gell-mann-lecture.html

Fonti delle illustrazioni

http://www.fnal.gov/pub/science/inquiring/matter/madeof/standardmodel.jpg

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1969/gell-mann-bio.html