particèlla
particèlla In fisica, costituente microscopico della materia. In partic., le p. elementari sono quark e leptoni che, alla luce delle conoscenze attuali, non mostrano una struttura interna, le p. subnucleari (per es. protone, neutrone) sono quelle che costituiscono il nucleo dell'atomo. Nella teoria quantistica dei campi, sono considerati p. anche i mediatori delle interazioni fondamentali. Lo schema teorico accettato oggi per la descrizione delle p. è il modello standard.
Proprietà fondamentali
Le proprietà fondamentali delle p. sono la massa, la carica elettrica, lo spin, la vita media, il momento magnetico, la parità (→ parità, trasformazione di). La massa a riposo delle p. si misura in milioni di elettronvolt o MeV (1 eV=1,602∙10-19 J) per l'equivalenza relativistica tra massa ed energia e varia tra 0 MeV (per es. nel caso del fotone) a ben oltre 2.000 MeV per le p. più pesanti. La carica può essere positiva, negativa o nulla, sempre multipla della carica elementare (→ elettrone), eccetto che per i quark in cui assume valore frazionario (1/3 o 2/3). Alcune p. (per es. protone, elettrone ecc.) sono stabili, mentre altre decadono in alcune frazioni di secondo (fino a 10-23 s); tutte le p., anche quelle prive di carica, possono avere momento magnetico che viene misurato in magnetoni di Bohr. Per la descrizione delle p. subnucleari si è resa necessaria l'introduzione di specifici numeri quantici (per es. il numero leptonico per i leptoni, la stranezza per giustificare i tempi di decadimento anomali di alcune p. ecc.).
Classificazione
Le p. con spin semintero sono dette fermioni e seguono la statistica di Fermi-Dirac, mentre tutte le p. dotate di spin intero (o nullo) sono dette bosoni e obbediscono alla statistica di Bose-Einstein. Le p. che subiscono l'interazione forte sono dette adroni e sono suddivise in mesoni (spin semintero, per es. pione) e barioni (spin intero, per es. protone). I leptoni (elettrone, muone, p. tau e i corrispondenti neutrini) invece risentono solo delle interazioni gravitazionale, elettromagnetica e debole. Per ogni p. esiste poi una corrispondente antiparticella, che ha la stessa massa, la stessa vita media e lo stesso spin, ma carica elettrica e momento magnetico di segno opposto. Il gravitone, il quanto del campo gravitazionale, e uno o più bosoni scalari (bosoni di Higgs) non sono ancora stati osservati sperimentalmente.
Leggi di conservazione
Alcune leggi di conservazione soddisfatte dai processi fisici che coinvolgono le p. sono valide anche per sistemi macroscopici (conservazione della quantità di moto, dell'energia, del momento angolare, della carica elettrica), mentre altre sono caratteristiche della fisica delle p. (come la conservazione del numero barionico e del numero leptonico), e altre ancora hanno validità limitata (come la conservazione della parità non soddisfatta dalle interazioni deboli).
Approfondimento di Omar Benhar Noccioli
Il tentativo di descrivere la materia come un aggregato di costituenti semplici, indivisibili e di poche specie differenti attraversa tutta la storia del pensiero occidentale. Questa visione della natura è il fondamento della dottrina filosofica atomistica, nata in Grecia nel 5° sec. a.C. con Democrito e poi diffusasi nel mondo romano grazie a Lucrezio, la cui opera sopravvisse all'oblio del Medioevo e tornò in auge nel 15° secolo. Pur non avendo inizialmente una solida base sperimentale, l'atomismo ha influenzato in modo determinante la scienza moderna nata con G. Galilei, come testimonia l'Ottica di I. Newton, un trattato in cui si propone la descrizione corpuscolare della luce.
Dagli atomi alle particelle subatomiche
La prima formulazione scientifica della natura particellare della materia, dovuta a J. Dalton, risale ai primi anni dell'Ottocento. Secondo la teoria di Dalton tutti i corpi sono costituiti da atomi indivisibili, diversi da elemento a elemento e caratterizzati da uno specifico peso. Queste ipotesi sono alla base della legge delle proporzioni multiple (se due elementi formano più di un composto, le diverse quantità dell'uno che reagiscono con una stessa quantità dell'altro si possono esprimere secondo rapporti definiti e costanti), che ha permesso di mettere per la prima volta in relazione i risultati di misure sperimentali con le proprietà dei costituenti elementari della materia. Il continuo progresso nello studio della struttura della materia a livello microscopico ha ripetutamente frustrato la speranza di essere riusciti a individuare i costituenti ultimi della materia, cioè le particelle elementari. Il fatto che gli atomi non fossero indivisibili diventò sempre più evidente con l'aumentare del numero delle specie atomiche conosciute: già più di cinquanta a metà dell'Ottocento. La condizione che le particelle elementari esistessero solo in poche specie diverse non era evidentemente soddisfatta dagli atomi.
I costituenti degli atomi
La comprensione delle struttura atomica fu resa possibile dalle notevoli regolarità presentate dalle proprietà delle diverse specie. Nel 1871 D. Mendeleev sintetizzò nel sistema periodico degli elementi tali regolarità, supponendo che gli atomi fossero composti da particelle più piccole; in seguito è stato chiaro che si possono ricondurre le regolarità osservate al modo in cui i costituenti elementari si aggregano per formare gli atomi dei diversi elementi. La scoperta dell'elettrone da parte di J.J. Thomson nel 1897 e gli esperimenti di E. Rutherford pubblicati nel 1911 posero le basi per l'elaborazione delle moderne teorie della struttura interna dell'atomo. I costituenti ultimi della materia furono identificati con l'elettrone, con carica elettrica negativa, e il protone, con massa ca. duemila volte maggiore e dotato di carica elettrica opposta a quella dell'elettrone. Una terza particella subatomica di massa ca. pari a quella del protone ma priva di carica elettrica, il neutrone, fu scoperta da J. Chadwick nel 1932. Si giunse così alla formulazione del cd. modello planetario, secondo il quale l'atomo è formato da un nucleo, composto da protoni e neutroni, in cui è concentrata quasi tutta la massa dell'atomo e attorno al quale gli elettroni orbitano come i pianeti intorno al Sole. Nella sua formulazione quantistica, dovuta a N. Bohr, questo modello permette di spiegare le proprietà chimiche degli elementi riassunte nel sistema periodico.
Lo 'zoo delle particelle'
Lo studio dei raggi cosmici e, soprattutto, l'avvento delle macchine acceleratrici hanno permesso di accertare l'esistenza di nuove particelle subatomiche. Il mesone μ, o muone, simile all'elettrone ma di massa molto maggiore, scoperto nel 1936, è stata la prima di una lunga serie. Il numero delle particelle conosciute è andato sempre crescendo, e già negli anni Sessanta se ne contavano più di cento. Le specie note erano tante da far nascere l'espressione 'zoo delle particelle', e da rendere decisamente problematico attribuire a tutte il ruolo di costituenti ultimi della materia. Si cominciò così di nuovo a cercare nelle proprietà osservate delle particelle subatomiche regolarità che permettessero di individuarne i costituenti e descriverne la struttura interna.
Il modello standard
Parallelamente ai tentativi di individuare i costituenti ultimi della materia, si è cercato di comprendere sempre meglio la natura delle forze che agiscono tra le particelle elementari, cioè delle cd. interazioni fondamentali. Secondo la meccanica quantistica e la teoria della relatività, queste interazioni sono dovute allo scambio di altre particelle, di diversa natura, chiamate quanti della forza. A questa categoria appartiene per es. il fotone, che si può identificare con il corpuscolo di luce ipotizzato nell'Ottica di Newton.
La moderna teoria delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali è chiamata modello standard. Secondo questa teoria, che ha finora permesso di spiegare in modo molto accurato i risultati degli esperimenti, i costituenti ultimi della materia si possono dividere in tre gruppi: leptoni, quark e bosoni di gauge. Al primo gruppo appartengono tre particelle con carica negativa - l'elettrone, il muone e una terza particella (particella tau) instabile - e tre particelle neutre, i neutrini. Al gruppo dei quark appartengono due particelle chiamate quark up e down, che si ritiene siano i costituenti del protone e del neutrone, e altre quattro particelle di massa molto maggiore e instabili. Il terzo gruppo è quello dei bosoni di gauge, cioè i quanti che sono scambiati durante le interazioni tra le particelle. Oltre al fotone, di questo gruppo fanno parte i bosoni W e Z, responsabili delle interazioni elettrodeboli, e otto particelle prive di massa, i gluoni, che sono i mediatori delle interazioni forti tra i quark. Possibili violazioni del modello standard, attivamente ricercate, aprirebbero la strada all'ulteriore revisione delle teorie sui costituenti ultimi della materia.