I fondamenti della fisica delle particelle elementari

Il concetto di particelle fondamentali e indivisibili risale al antichi greci (un concetto noto come "atomismo"). Nel 20 ° secolo, i fisici iniziarono ad esplorare gli avvenimenti ai più piccoli livelli di materia, e tra le loro scoperte moderne più sorprendenti c'era la quantità di particelle diverse nell'universo. Fisica quantistica prevede 18 tipi di particelle elementari e 16 sono già state rilevate sperimentalmente. La fisica delle particelle elementari mira a trovare le particelle rimanenti.

Il modello standard della fisica delle particelle, che classifica le particelle elementari in diversi gruppi, è al centro della fisica moderna. In questo modello, tre dei quattro forze fondamentali della fisica sono descritte, insieme ai bosoni di gauge, le particelle che mediano quelle forze. Sebbene la gravità non sia tecnicamente inclusa nel modello standard, i fisici teorici stanno lavorando per estendere il modello per includere e prevedere un teoria quantistica della gravità.

Se c'è una cosa che i fisici delle particelle sembrano apprezzare, sta dividendo le particelle in gruppi. Le particelle elementari sono i componenti più piccoli di materia ed energia. Per quanto gli scienziati possono dire, non sembrano fatti dalle combinazioni di particelle più piccole.

Tutte le particelle elementari in fisica sono classificate come entrambe fermioni o bosoni. La fisica quantistica dimostra che le particelle possono avere uno "spin" intrinseco diverso da zero o momento angolare, associato a loro.

Un fermione (dal nome Enrico Fermi) è una particella con una rotazione di mezzo intero, mentre un bosone (che prende il nome da Satyendra Nath Bose) è una particella con un numero intero o una rotazione di un intero. Questi giri danno luogo a diverse applicazioni matematiche in situazioni particolari. La matematica semplice dell'aggiunta di numeri interi e mezze numeri interi mostra quanto segue:

• Combinando un numero dispari di fermioni si ottiene un fermione perché lo spin totale sarà comunque un valore di mezzo intero.
• Combinando un numero pari di fermioni si ottiene un bosone perché lo spin totale si traduce in un valore intero.

I fermioni hanno una rotazione delle particelle pari a un valore di mezzo intero (-1/2, 1/2, 3/2, ecc.). Queste particelle costituiscono la materia che osserviamo nel nostro universo. I due costituenti di base della materia sono quark e leptoni. Entrambe queste particelle subatomiche sono fermioni, quindi tutti i bosoni sono creati da una combinazione uniforme di queste particelle.

I quark sono la classe di fermioni che compongono gli adroni, come ad esempio protoni e neutroni. I quark sono particelle fondamentali che interagiscono attraverso tutte e quattro le forze fondamentali della fisica: gravità, elettromagnetismo, interazione debole e interazione forte. I quark esistono sempre in combinazione per formare particelle subatomiche note come adroni. Esistono sei tipi distinti di quark:

• Bottom Quark
• Strano quark
• Down Quark
• Top Quark
• Charm Quark
• Up Quark

I leptoni sono un tipo di particella fondamentale che non sperimenta una forte interazione. Esistono sei varietà di leptoni:

• elettrone
• Neutrino elettronico
• Muon
• Muon Neutrino
• Tau
• Tau Neutrino

Ciascuno dei tre "sapori" di leptone (elettrone, muone e tau) è composto da un "doppietto debole", la suddetta particella insieme a una particella neutra praticamente priva di massa chiamata a neutrino. Pertanto, l'elettrone leptone è il debole doppietto di elettrone e elettrone-neutrino.

I bosoni hanno una rotazione di particelle uguale a un numero intero (numeri interi come 1, 2, 3 e così via). Queste particelle mediano le forze fondamentali della fisica nell'ambito delle teorie dei campi quantistici.

• Fotone
• W Boson
• Z Boson
• gluone
• Bosone di Higgs
• Graviton

Gli adroni sono particelle costituite da più quark legati insieme in modo tale che la loro rotazione sia un valore di mezzo intero. Gli adroni sono divisi in mesoni (che sono bosoni) e barioni (che sono fermioni).

• mesoni
• barioni
• nucleoni
• Iperoni: particelle di breve durata composte da strani quark

Le molecole sono strutture complesse composte da più atomi legati insieme. Gli elementi chimici di base della materia, gli atomi sono composti da elettroni, protoni e neutroni. Protoni e neutroni sono nucleoni, il tipo di barione che insieme formano la particella composita che è il nucleo di un atomo. Lo studio di come gli atomi si uniscono per formare varie strutture molecolari è il fondamento del moderno chimica.

Può essere difficile mantenere tutti i nomi nella fisica delle particelle, quindi potrebbe essere utile pensare al mondo animale, dove tale denominazione strutturata potrebbe essere più familiare e intuitiva. Gli esseri umani sono primati, mammiferi e anche vertebrati. Allo stesso modo, i protoni sono nucleoni, barioni, adroni e anche fermioni.

La sfortunata differenza è che i termini tendono a sembrare simili tra loro. Confondere bosoni e barioni, per esempio, è molto più facile che confondere primati e invertebrati. L'unico modo per tenere davvero separati questi diversi gruppi di particelle è solo studiarli attentamente e cercare di fare attenzione a quale nome viene utilizzato.

A cura di Anne Marie Helmenstine, Ph. D.