Particella elementare
Particella elementare
Molti dei progressi conseguiti dalla fisica tra 20° e 21° sec. inerenti le p. e. sono stati determinati dai risultati sperimentali ottenuti utilizzando gli acceleratori di particelle. In particolare, i grandi acceleratori, il collisore elettrone-positrone LEP (Large Electron Positron) di Ginevra, il collisore protone-antiprotone Tevatron al laboratorio Fermilab negli Stati Uniti e il collisore elettrone-protone Hera ad Amburgo in Germania hanno dominato la ricerca in questo settore. Nel 2000 ha iniziato a funzionare il collisore RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider, collisore di ioni pesanti relativistici) al laboratorio nazionale di Brookhaven, negli Stati Uniti, per lo studio della fisica della materia nucleare in condizioni estreme di temperatura e densità, vicine a quelle dei primissimi istanti dell'Universo, situazione che si realizza in laboratorio per tempi brevissimi mediante l'urto ad alta energia tra ioni pesanti.
Nel 2007 è prevista l'entrata in funzione del gigantesco acceleratore LHC (Large Hadron Collider) nel laboratorio internazionale del CERN di Ginevra, la cui costruzione ha assorbito gran parte delle risorse materiali e umane disponibili per questo settore. Il collisore protone-protone LHC sarà l'acceleratore a più alta energia al mondo (14 TeV nel sistema di riferimento del centro di massa) e potrà indagare la fisica di frontiera delle distanze ultrapiccole, inferiori a 10−19 m. Lo scopo principale del LHC è quello di scoprire il bosone di Higgs, l'unica p. e. prevista nel Modello Standard delle interazioni elettrodeboli e forti non ancora rivelata sperimentalmente. Inoltre il LHC ha tra le sue potenzialità quella di scoprire segnali dell'esistenza di particelle supersimmetriche, e dalle misure che potranno essere effettuate si aspettano importanti contributi anche alla fisica delle violazioni di CP, dei quark pesanti e alla QCD (cromodinamica quantistica) ad alta temperatura.
Il Modello Standard rappresenta il coronamento di molti anni di intuizioni e scoperte riguardo le relazioni che intercorrono tra le interazioni fondamentali della natura: l'interazione nucleare o forte, responsabile del legame dei nuclei atomici, l'interazione elettromagnetica, che si esercita tra particelle elettricamente cariche e l'interazione debole, responsabile del decadimento radioattivo e, in particolare, dell'attività nucleare del Sole.
La forza gravitazionale è ignorata a livello atomico e subnucleare, e non è considerata nel Modello Standard, perché anche se i suoi effetti aumentano di intensità all'aumentare dell'energia, rispetto alle energie raggiungibili dagli acceleratori essi sono completamente trascurabili. Non si esclude tuttavia che l'interazione gravitazionale possa comunque avere un ruolo importante nell'ambito della struttura di una teoria più profonda. Per il conseguimento di tale obiettivo si stanno impiegando notevoli sforzi.
Le tre forze fondamentali della fisica delle p. e. sono inquadrate in una particolare teoria quantistica di campo relativistico, detta teoria di gauge non abeliana, in cui le interazioni tra i quark e i leptoni sono strettamente determinate dalle simmetrie fisiche delle interazioni e avvengono tramite lo scambio di particelle mediatrici delle forze dette bosoni di gauge.
Il Modello Standard combina in sé la teoria delle interazioni forti, la cromodinamica quantistica, in cui l'interazione forte è mediata da otto bosoni di gauge a massa nulla detti gluoni ed è basata sulla simmetria di colore SU(3), e la teoria unificata elettrodebole, che ha come mediatori il fotone, a massa nulla, due bosoni vettori pesanti W+, W− (MW=80,403±0,029 GeV/c2) elettricamente carichi e il bosone pesante neutro Z (MZ=91,1876±0,0021 GeV/c2) ed è basata sulla simmetria SU(2)×U(1).
L'acceleratore LHC è stato progettato, oltre che con un'energia nel sistema di riferimento del centro di massa elevatissima, con una grande luminosità (L=1034 cm−2 s−1), in modo da permettere la rilevazione di processi caratterizzati da sezioni d'urto relativamente piccole, ossia di processi che avvengono con piccolissima probabilità. La luminosità è un parametro dei collisori che determina il numero di urti: il prodotto della luminosità per la sezione d'urto del processo considerato fornisce, per quel processo, il numero medio di eventi in un secondo.
Notevoli accorgimenti sono necessari anche per ridurre gli effetti dell'attivazione radioattiva dei materiali che costituiscono i rivelatori e le altre strutture presenti quando sono sottoposti al bombardamento di particelle altamente ionizzanti e neutroni.
Il successo del Modello Standard
Con lo smantellamento del LEP avvenuto alla fine del 2000 per permettere la costruzione del LHC, che sfrutta lo stesso tunnel circolare sotterraneo, si è concluso un ciclo di fisica durato circa 25 anni che ha confermato in pieno il Modello Standard. Le misure di precisione condotte al LEP dai quattro grandi apparati sperimentali di rivelazione presenti (ALEPH, DELPHI, L3 e OPAL) hanno permesso il controllo sperimentale delle previsioni a un livello di accuratezza molto spesso migliore di 1/1000, tale da verificare anche le correzioni quantistiche. In una prima fase l'energia della macchina fu fissata in modo tale`da essere sul picco dello Z e studiare accuratamente le sue proprietà; successivamente l'energia è stata aumentata fino a raggiungere 208 GeV nel centro di massa. La massa dello Z è stata determinata con la precisione dello 0,2 per mille e la sua vita media all'uno per mille; anche i canali di decadimento adronici e leptonici sono stati studiati con grande precisione.
È stata studiata la fisica delle particelle contenenti i quark pesanti c (charm), b (bottom o beauty), e del leptone τ (tau); inoltre sono state misurate le larghezze di decadimento dello Z in coppie di quark pesanti bb, cc e anche in leptoni pesanti ττ. In tal modo sono stati verificati con estrema accuratezza gli accoppiamenti dello Z con le particelle della terza famiglia dei costituenti fondamentali della materia.
Sono stati studiati i vertici degli accoppiamenti γWW, ZWW tra i bosoni vettoriali della teoria mediante la misura della probabilità di produzione di coppie W+W−, trovando risultati in perfetto accordo con il Modello Standard.
È importante ricordare che mediante la misura della vita media dello Z, che è condizionata dal numero di differenti specie di neutrino esistenti attraverso il canale di decadimento in neutrini, il LEP ha potuto fissare a tre il numero delle possibili repliche. Il LEP ha anche contribuito alla fisica delle interazioni forti, permettendo tra l'altro la misura di precisione della costante di accoppiamento forte alla scala della massa dello Z.
Gli studi di grande precisione del LEP hanno anche avuto una notevole capacità di previsione indiretta: per es., il valore della massa del quark top, il quark più pesante appartenente insieme al quark bottom al terzo doppietto debole di SU(2) con carica elettrica pari a 2/3 della carica dell'elettrone e terza componente isospin debole pari a +1/2, è stata prevista con poca incertezza prima dell'effettiva scoperta diretta avvenuta al Tevatron nel 1995. Infatti il top ha una massa troppo grande (il valore medio delle misure effettuate dai due esperimenti CDF e D0 operanti al Tevatron è Mtop=174,2±3,3 GeV/c2) per poter essere prodotto in coppia al LEP, ma entra negli stadi intermedi del calcolo teorico di alcune reazioni studiate al LEP e quindi il valore della sua massa modifica le probabilità che queste reazioni avvengano.
Dal 2001 il Tevatron ha iniziato una seconda fase di raccolta di dati dopo un periodo di tempo di chiusura in cui la macchina è stata modificata e migliorata, passando da un'energia nel centro di massa di 1,8 TeV a 1,96 TeV. Il top viene prodotto essenzialmente in coppia top-antitop da reazioni iniziate da quark-antiquark (che è il canale dominante) e gluone-gluone, originate a loro volta dalla disintegrazione nell'urto adronico primario tra le particelle incidenti protone-antiprotone. I quark top prodotti generano con un decadimento a due corpi, principalmente un bosone W e un quark bottom, che a loro volta producono particelle osservabili sperimentalmente.
Un campo di ricerca in notevole sviluppo è quello delle proprietà della QCD in condizioni estreme simili a quelle che si dovrebbero essere verificate subito dopo il Big Bang. Facendo collidere ad alta energia ioni pesanti si pensa che si instauri per tempi brevissimi la condizione per una nuova fase della materia nucleare, detta plasma di quark e gluoni, in cui i quark e i gluoni sarebbero in grado di muoversi quasi liberamente su distanze grandi rispetto a quelle tipiche del protone. È questo un campo di ricerca di fisica fondamentale in cui si fondono le metodologie della fisica delle p. e. e quelle della fisica nucleare. Al CERN e negli Stati Uniti sono stati utilizzati a questo scopo acceleratori, originariamente progettati per fasci di protoni, per ottenere dei fasci d'alta energia di nuclei pesanti: ossigeno, zolfo, piombo, oro e così via.
Nell'urto tra ioni pesanti, per es. piombo-piombo, i nucleoni coinvolti sono compressi e riscaldati in modo da dar luogo a una bolla di plasma. Dopo una rapida espansione, la bolla si raffredda e si ritorna alla fase confinata dei quark e gluoni, che è quella che normalmente conosciamo, con l'emissione di un gran numero di particelle come prodotti di reazione. La realizzazione della fase di deconfinamento della materia è segnalata dall'osservazione di vari effetti, tra cui ricordiamo l'emissione di un eccesso di particelle composte di quark s e la diminuzione delle coppie leptoniche provenienti dal decadimento della particella J/ψ, determinata da una prevista diminuzione della probabilità di interazione delle coppie di quark-charm anticharm che costituiscono la J/ψ a causa dell'effetto di schermo della forza attrattiva che si ha in situazioni di plasma. L'acceleratore RHIC sta fornendo dati di urti tra ioni pesanti con un'energia nel centro di massa fino a 200 GeV per nucleone (nel caso di fasci oro-oro).
Un importante capitolo della fisica delle p. e. riguarda lo studio delle violazioni della simmetria discreta CP, ottenuta dalla composizione delle simmetrie di coniugazione di carica (scambio tra particelle e antiparticelle) e parità (scambio di elicità). Nel Modello Standard la rottura di questa simmetria si manifesta, nell'ambito del meccanismo di Higgs, con un parametro, da determinare sperimentalmente, nella matrice detta di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa, che determina gli accoppiamenti tra i quark ai bosoni W. È quindi estremamente importante lo studio di queste violazioni nelle reazioni con mesoni pesanti contenenti il quark pesante b, oltre che con i mesoni K, come fu scoperto nel 1964 studiando i decadimenti rari del K.
Il fenomeno fisico consiste nel fatto che le interazioni deboli inducono con probabilità piccolissima la trasformazione di quark in antiquark e viceversa; il meccanismo è discusso nell'ambito del dibattito sulla mancanza di antimateria che si osserva nell'Universo, per cui la ricerca di violazioni di CP in laboratorio è affiancata da misure di tipo astronomico sulla densità di materia dell'Universo. La teoria indica che le violazioni di CP dovrebbero essere rivelabili più facilmente nel caso dei mesoni B piuttosto che dei K. Questo tipo di ricerche sono naturalmente molto sensibili alla possibilità di ottenere effetti che potrebbero modificare notevolmente il valore dell'asimmetria di CP così come è prevista dal Modello Standard: in particolare, eventuali effetti di supersimmetria potrebbero essere molto importanti nel fenomeno.
Gli esperimenti OPAL e ALEPH al LEP avevano studiato le disintegrazioni dei mesoni B neutri prodotti a coppie dal decadimento dello Z alla ricerca di queste trasformazioni; ma le misure, a causa della statistica bassa non erano conclusive. I risultati, ottenuti a partire dal 2000 dai grandi esperimenti di nuova generazione progettati per questo scopo, detti B factory ('fabbriche' del quark beauty, poiché sono progettate per produrre e analizzare un grande numero di particelle contenenti il quark b ), ossia di BaBar negli Stati Uniti e di KEKB al KEK (con il rivelatore chiamato BELLE) in Giappone, cominciano a essere incoraggianti e nel 2001 è stata trovata la violazione di CP per il beauty.
In particolare, l'esperimento BaBar, a cui collabora attivamente un gruppo italiano, utilizza un acceleratore di elettroni e positroni costruito con peculiari caratteristiche di progetto presso lo SLAC, negli Stati Uniti. I fasci di particelle sono asimmetrici in energia (9 GeV per gli elettroni e 3,1 GeV per i positroni nel sistema di riferimento del laboratorio), in modo tale che il valore dell'energia totale nel sistema del centro di massa coincida con la massa della risonanza Y(4S), che è composta da una coppia di quark b anti-b ed è prodotta in risonanza. Quindi nel sistema di riferimento del laboratorio si osservano i prodotti di decadimento della Y(4S) muoversi preferibilmente nel verso degli elettroni incidenti. Con queste accortezze di progetto si favorisce l'accuratezza della misura del vertici di decadimento delle particelle composte dal quark b prodotte.
La nuova fisica
Dal LHC si attende anche la scoperta di segnali detti di nuova fisica che, secondo le indicazioni di molti modelli teorici, dovrebbero manifestarsi alle scale di energia raggiunte da questo acceleratore. In particolare, i modelli supersimmetrici prevedono l'esistenza di particelle non ancora osservate, detti partner supersimmetrici delle particelle conosciute, i cui numeri quantici sono ben definiti ma il cui valore delle masse non è prevedibile se non entro ampi intervalli di valori dipendenti comunque dal modello. La difficoltà principale di questo tipo di ricerche risiede nel fatto che a causa dell'incertezza del valore della massa le particelle supersimmetriche potrebbero essere così pesanti da rendere la loro scoperta impossibile anche al LHC. Comunque, per valori ragionevoli delle masse, anche dell'ordine di 1 TeV/c2, le sezioni d'urto di produzione stimate sono generalmente abbastanza grandi per la luminosità del LHC da far prevedere una produzione di moltissimi eventi, e quindi garantire la scoperta della supersimmetria purché sia veramente presente in natura.
La supersimmetria è la teoria più accreditata per estendere il panorama della fisica delle p. e., anche se non si è avuta nessuna conferma sperimentale, diretta o indiretta, della sua realizzazione in natura dalle numerose ricerche tuttora in atto ai più grandi acceleratori di particelle. È ampiamente diffusa la convinzione che l'esistenza della supersimmetria sia quasi una necessità per il Modello Standard, a causa delle proprietà stabilizzanti che questa teoria porta con sé, che permettono di tenere sotto controllo il cosiddetto problema gerarchico.
Nella teoria ci sono infatti due scale naturali di energia (e quindi di massa), la scala dell'energia di Planck, circa 1019 GeV, alla quale è previsto dalle teorie attuali che la forza della gravità divenga comparabile con quelle delle altre interazioni, e la scala elettrodebole, di qualche centinaio di GeV. Questa differenza di valori non è ben compresa nell'ambito del Modello Standard, poiché le masse dei bosoni di Higgs, W e Z a causa delle fluttuazioni quantistiche dovrebbero avere valori naturalmente vicini alla scala di Planck, a meno che non si voglia ipotizzare l'avvento di una nuova fisica (che potrebbe essere la supersimmetria), ancora non scoperta, intorno alla scala di energia di circa 1 TeV.
La ricerca delle particelle supersimmetriche avviene o rivelando la loro produzione diretta agli acceleratori oppure cercando possibili effetti che alterino la probabilità di produzione o di decadimento di particelle conosciute, dovuti all'effetto che le particelle supersimmetriche produrrebbero nei passi intermedi dello sviluppo perturbativo che descrive il processo. La ricerca sperimentale di segnali di supersimmetria è portata avanti con tutti gli acceleratori disponibili, con contributi che al momento permettono di porre limiti inferiori alle masse delle particelle supersimmetriche.
L'interesse per la scoperta della supersimmetria potrebbe essere rilevante, oltre che per le questioni teoriche già discusse, anche ai fini dell'individuazione della materia oscura presente nell'Universo, la cui natura è ancora dubbia. Tra i possibili candidati vi sono infatti le particelle supersimmetriche stabili che si producono al termine della catena di decadimento a cui è soggetta una particella supersimmetrica di alta massa, una volta creata. Infatti, nei modelli supersimmetrici più studiati, si conserva una grandezza chiamata parità R, che distingue i partner supersimmetrici dalle particelle normali e che fa sì che le particelle supersimmetriche vengano prodotte in coppia e che quindi compaia un'altra particella supersimmetrica tra i prodotti di decadimento. A causa della conservazione della parità R la particella supersimmetrica di più bassa massa deve essere stabile poiché non può decadere ulteriormente senza violare R.
Naturalmente anche se la supersimmetria è il candidato più atteso della nuova fisica molti altri modelli sono stati proposti. È importante citare la possibilità di esistenza di leptoquark, particelle con proprietà miste tra i leptoni e i quark.
La fisica dei neutrini
Tra tutte le p. e., i neutrini rimangono ancora le più misteriose, a causa della carica elettrica nulla, della massa che potrebbe essere piccolissima o nulla e della loro bassissima capacità d'interazione con la materia. Quest'ultima proprietà consente ai neutrini di viaggiare attraverso l'Universo col minimo disturbo, ma rendono la loro rivelazione difficile in quanto basata su rivelatori di enormi dimensioni e peso. Si conoscono tre tipi di neutrini: i neutrini associati all'elettrone, al muone e al leptone pesante τ (di questo ultimo neutrino se ne è avuta l'evidenza sperimentale solamente nel 2000).
Nel 2001 si è avuta la conferma sperimentale, ottenuta dalle osservazioni congiunte di esperimenti su neutrini atmosferici, sul flusso dei neutrini provenienti dal Sole e di neutrini generati da reattori nucleari, del verificarsi in natura del fenomeno delle oscillazioni di neutrino, ipotizzato da B. Pontecorvo nel 1968. Questo fenomeno consiste nelle oscillazioni del numero di neutrini di un certo tipo che si hanno in funzione della distanza dal punto di produzione, a causa del tramutarsi di una specie di neutrino in un'altra; si dice anche che il sapore, intendendo il neutrino associato all'elettrone, al muone o al tau, cambia in funzione della distanza. Il periodo spaziale delle oscillazioni è proporzionale all'energia e inversamente proporzionale al quadrato della differenza tra le masse dei neutrini e quindi il fenomeno scompare se le differenze di massa si annullano.
Il fatto che le misure del flusso di neutrini-elettrone solari che arrivano sulla Terra sia inferiore a quello previsto dai modelli di produzione che descrivono questo aspetto del Sole è un problema noto da anni. I risultati combinati delle misure di precisione di flusso basati sulla diffusione elastica neutrino-elettrone dell'esperimento SuperKamiokande in Giappone, in cui la rivelazione avviene per effetto čerenkov in circa 50.000 t di acqua, e dell'esperimento SNO (Sudbury Neutrino Observatory) in Canada, che consiste in un enorme rivelatore contenente 1000 t di acqua pesante (D2O) purissima, hanno chiarito, con le misure del 2001 che utilizzano le reazioni di corrente carica di neutrino su deuterio e del 2002 di corrente neutra, che ciò avviene perché una frazione dei neutrini-elettrone prodotti dalla fornace solare si tramuta, durante il viaggio tra il Sole e la Terra, in un neutrino mu o tau. L'esperimento KamLAND, in Giappone, ha misurato una diminuzione del flusso di antineutrini elettronici prodotti da reattori nucleari e rivelati dopo circa 180 km di viaggio verso il rivelatore, confermando in questo caso il fenomeno delle oscillazioni.
L'esistenza delle oscillazioni di neutrino implica che i neutrini non hanno massa nulla e favorisce uno scenario in cui due neutrini abbiano masse molto simili, mentre la differenza di massa tra questi due e il terzo sia elevata.
Per dare un'idea della complessità di questi esperimenti si consideri l'esperimento OPERA che coinvolge il Laboratorio Internazionale del CERN di Ginevra e il Laboratorio Nazionale del Gran Sasso. Dal CERN si produce un fascio di neutrini mu che viene inviato, attraversando la crosta terreste per 730 km a una profondità massima di circa 11,4 km, verso un rivelatore installato nel laboratorio sotto il Gran Sasso, in modo da essere il più possibile schermato dagli effetti dei raggi cosmici. Il rivelatore ha come scopo principale la rivelazione dei neutrini tau, assenti nel fascio di neutrini al momento della produzione, che si generano per via dalle oscillazioni. Per questo motivo OPERA è indicato come un esperimento a comparsa a differenza di quelli descritti finora in cui si osserva una diminuzione del numero di neutrini di un certo sapore e che quindi sono denominati esperimenti a scomparsa. Il primo invio di neutrini da parte del CERN è avvenuto l'11 settembre 2006 e da questo momento l'esperimento è entrato in fase di calibrazione e acquisizione dati.
Prospettive future
È già in discussione il futuro della fisica delle alte energie dopo il LHC. Si pensa che il futuro acceleratore, che avrà un ruolo complementare con il LHC, sarà un collisore lineare (linear collider) tra elettroni e positroni da 500 GeV, aumentabile fino a 1 TeV, e con una luminosità maggiore di 1034 cm−2s−1, il cui programma scientifico sarà in gran parte determinato dalle scoperte che si avranno con il LHC.
La struttura di questa macchina sarà gigantesca: ci saranno due sistemi di accelerazione, uno per gli elettroni l'altro per i positroni, allineati in modo che i fasci si urtino frontalmente; la struttura complessiva si estenderà in lunghezza per più di 30 km e richiederà per la sua realizzazione lo sforzo congiunto di tutta la comunità scientifica mondiale.
La struttura lineare è d'obbligo per evitare le enormi perdite d'energia per irraggiamento da parte di particelle di così bassa massa in movimento. La costruzione di un acceleratore lineare richiede una tecnica di accelerazione molto diversa rispetto a quella impiegata negli anelli di accumulazione, in quanto il fascio non può essere accelerato lentamente sfruttando più giri nell'apparato, quindi sono necessarie altissime accelerazioni ottenute con adeguati gradienti di campo elettrico nelle cavità risonanti acceleranti. Inoltre, le dimensioni trasversali del fascio all'istante dell'urto devono essere molto piccole e quindi il controllo della macchina deve essere di eccezionale precisione. Si ritiene che i problemi di principio siano superati; i progetti sono già in uno stadio molto avanzato.
Dal punto di vista teorico, i modelli che cercano di ottenere una visione unificata della gravità e delle altre interazioni fondamentali si sono drasticamente allontanati dal concetto di particella intesa come oggetto elementare, a favore di stringhe o superstringhe (se contengono la supersimmetria), ossia strutture estese su piccolissime distanze in spazi pluridimensionali. In molti modelli è naturale che le interazioni elettrodeboli e forti siano confinate su una membrana, mentre la gravità agisce su più dimensioni, dette dimensioni extra. In questi studi la spiegazione della debolezza dell'interazione gravitazionale deriva dal fatto che il flusso gravitazionale che normalmente osserviamo sarebbe molto minore di quello complessivo in quanto la maggior parte di esso si disperde nelle altre direzioni a noi non accessibili. Le dimensioni extra sono inoltre 'compattificate', ossia si deve pensare che siano come su un cerchio di raggio R, e solo a distanze minori di R la gravità acquista una forza paragonabile alle altre. Nelle teorie con grandi dimensioni extra (large extra dimension) la scala R potrebbe anche essere molto più grande di quella di Planck e potrebbero esserci fenomeni gravitazionali sperimentabili all'energia di LHC.
bibliografia
W.-M. Yao et al., Review of particle physics, in Journal of physics, 33, 1, 2006.
Per aggiornamenti sulle proprietà delle particelle elementari, si veda inoltre http://pdg.lbl.gov/.