Quark, Scoperta di

Il ventesimo secolo iniziò con la conferma che la materia non era continua ma fatta di minuscoli atomi e molecole. Si è conclusa con la conferma che la materia è fatta, in parte, di oggetti ancora più piccoli chiamati quark.

Gli atomi sono costituiti da nuclei ed elettroni e i nuclei sono costituiti da neutroni e protoni. Tuttavia, nel 1950 il protone e il neutrone erano considerati i costituenti elementari finali della materia. Il pione era il vettore della forza forte che attirava protoni e neutroni per formare nuclei, proprio come il fotone era il vettore della forza elettromagnetica che legava elettroni e nuclei in atomi. Ma nel 1962 erano state scoperte molte nuove particelle inaspettate. Sono stati raggruppati in famiglie chiamate multipletti e descritti in modo Ottuplice. Nel 1966 divenne chiaro che nessuna delle nuove particelle poteva essere davvero elementare. Il neutrone, il protone e il pione non erano qualitativamente diversi come l’elettrone e il fotone; loro e tutte le nuove particelle fortemente interagenti chiamate barioni e mesoni furono costruite con gli stessi blocchi ancora più piccoli ora chiamati quark.

L’Ottuplice Modo stesso era stato sconcertante perché non dava alcuna ragione per cui si dovessero trovare particolari multipletti. Come la tabella Mendeleev degli elementi chimici, forniva un modo per classificare i cosiddetti “costituenti elementari della materia”, ma il loro stesso numero suggeriva che non potevano essere tutti elementari.

Nel 1963 Hayim Goldberg e Yuval Ne’eman sottolinearono che tutte le particelle conosciute potevano essere costruite matematicamente dagli stessi tre blocchi costitutivi, ora chiamati up (u ), down (d) e strange (s ) quark, insieme alle loro antiparticelle, ora chiamate antiquark.

Nel 1964 Murray Gell-Mann e George Zweig osarono proporre che questi erano davvero i mattoni fondamentali della materia. Ma sorse una seria difficoltà. L’elettrone, il neutrone, il protone e il pione furono tutti scoperti sperimentalmente come particelle isolate che potevano essere rilevate e create individualmente e i cui percorsi attraverso lo spazio potevano essere determinati. Tuttavia, con la tecnologia attuale, gli scienziati non sono ancora in grado di creare o studiare singoli quark. Ma gli scienziati credevano già che la materia consistesse di atomi e molecole molto prima che qualcuno li avesse creati o rilevati individualmente. Forse le scoperte future renderanno possibile la creazione e il rilevamento di quark.

Non ci sono risposte semplici alle domande su chi ha scoperto l’atomo, chi ha scoperto il quark e su come è stata stabilita la realtà degli atomi e dei quark. Una possibile risposta appare nel libro di E. D. Hirsch Jr. The Schools We Need and Why We Don’t Have Them: “La comunità scientifica raggiunge le conclusioni con un modello di convergenza indipendente (una sorta di triangolazione intellettuale), che è insieme a una previsione accurata, uno dei più potenti modelli di costruzione della fiducia nella ricerca scientifica. Ci sono pochi o nessun esempio nella storia della scienza quando lo stesso risultato, raggiunto da tre o più mezzi veramente indipendenti, è stato rovesciato ” (p.159). Hirsch cita la biografia di Einstein di Abraham Pais per un esempio di questa convergenza:

Il dibattito sulla realtà molecolare è stato risolto una volta per tutte a causa dello straordinario accordo nei valori di N ottenuti con molti metodi diversi. Le questioni sono state risolte non da una determinazione di N, ma da una determinazione eccessiva di N. Da soggetti diversi come la radioattività, il moto browniano e il blu nel cielo, è stato possibile affermare, entro il 1909, che una dozzina di modi indipendenti di misurare N ha prodotto risultati in notevole accordo tra loro.

Nel 1966 questo tipo di prove circostanziali già convinto Richard Dalitz che la materia è stata fatta di quark, quando ha dato la sua recensione invitato alla Conferenza internazionale annuale sulla fisica delle alte energie a Berkeley, California. Questa evidenza incluso l’esistenza di osservato sperimentalmente regolarità nelle proprietà delle particelle create ad alta energia acceleratori, il fatto che le collisioni tra i diversi tipi di particelle erano semplicemente legati, il fatto che la proprietà elettromagnetiche di diverse mesoni e barioni sono semplicemente connessi, sperimentali osservate rapporto tra i momenti magnetici del neutrone e del protone, e il fatto che l’annientamento di un protone e un antiprotone a riposo quasi sempre prodotte tre mesoni. Questi erano altrimenti inspiegabili e convergevano sulla stessa conclusione: mesoni e barioni sono stati costruiti dagli stessi blocchi elementari. Questa convergenza indipendente alla fine convinse tutti che tutte le molte particelle descritte dall’Ottuplice Via non erano i mattoni di base della materia, come si credeva in precedenza, ma erano esse stesse costruite con blocchi di costruzione ancora più piccoli.

Molti fisici delle particelle non riuscivano a capire perché i quark non fossero generalmente accettati fino agli anni ‘ 70. Un problema era che i valori delle cariche elettriche dei quark erano più piccoli della carica elettrica dell’elettrone. Il quark u ha una carica elettrica positiva due terzi del valore della carica dell’elettrone, ei quark d e s hanno cariche negative un terzo della carica dell’elettrone. Finora tutte le particelle conosciute hanno valori di carica elettrica che sono multipli integrali della carica dell’elettrone e della sua antiparticella il positrone. Non sono mai state osservate particelle caricate frazionalmente né quark isolati.

Ancora più prove circostanziali per l’esistenza di quark come i mattoni da cui è costruita tutta la materia si sono accumulate dal 1966. Tutte le particelle che vengono continuamente scoperte e che si inseriscono nei multipletti definiti dall’Ottuplice Modo si comportano come se fossero costruite da tre quark o da un singolo quark e da una singola anti-particella del quark chiamata antiquark.

La ricerca di prove per singoli Quark

Fin dalla prima proposta di quark nel 1964, gli sperimentatori hanno cercato particelle con cariche elettriche inferiori alla carica dell’elettrone. Ma nessuno è stato trovato. Tutte le prove schiaccianti dell’esistenza dei quark provenivano dalle proprietà dei mesoni e dei barioni che indicavano che erano stati costruiti dai quark.

Negli esperimenti del 1970 che sparavano elettroni ad alta energia su un bersaglio di protoni producevano prove che gli elettroni colpivano e venivano dispersi da singoli quark. Anche in questo caso le prove erano ancora circostanziali. Il quark stesso non è mai stato osservato. Ma un elettrone disperso da un oggetto puntiforme con una carica elettrica cambia la sua direzione di movimento e cambia la sua energia in un modo ben definito e ben noto. Lo studio dei cambiamenti di direzione ed energia negli esperimenti di scattering degli elettroni indicava che gli elettroni erano sparsi da costituenti puntiformi nel protone con le cariche elettriche frazionarie previste dal modello di quark.

Questi esperimenti hanno contribuito a confermare che i quark peculiari esistevano davvero. Ma hanno sollevato due nuove domande. Anche se i quark sono stati colpiti molto duramente dall’elettrone, e hanno assorbito un’energia e una quantità di moto molto elevate, non sono mai stati eliminati dal protone. Quark liberi isolati non sono mai stati osservati. Ciò indicava che i quark erano legati da forze molto forti all’interno del protone che li teneva confinati. Ma i dati di dispersione degli elettroni indicavano che gli oggetti che disperdevano gli elettroni trasferivano energia e quantità di moto come una particella libera, senza alcuna prova di essere vincolati da forze forti. Questi due enigmi sono stati chiariti nel nuovo modello Standard e dati i nomi di confinamento e libertà asintotica.

Le forze che legano i quark insieme in mesoni e barioni sono così forti a grandi distanze che separare un quark dai suoi vicini costa un’enorme quantità di energia. Quando un quark in un protone viene colpito con un’energia sufficiente a creare nuove particelle, viene creata una nuova coppia quark-antiquark. L’antiquark creato si combina quindi con il quark colpito per creare un pione o un altro mesone, e il quark creato ritorna agli altri costituenti del protone originale. L’energia prodotta colpendo un quark in un protone non spinge il quark da solo fuori dal protone; il quark prende un antiquark che è stato creato dal grande trasferimento di energia e poi si spegne come un mesone. Quindi i quark isolati non vengono mai osservati come prodotti di collisioni ad alta energia; piuttosto trovano sempre partner creati nelle collisioni e si combinano con loro per formare mesoni e barioni. Sono quindi sempre confinati essendo legati in mesoni o barioni e non sono mai osservati come quark liberi isolati.

Esperimenti più recenti con collisioni ad alta energia mostrano come un quark colpito crea coppie quark-anti-quark che si ricombinano in modi diversi per creare una catena di mesoni e barioni. Il quark colpito si combina con un antiquark creato per formare un mesone, lasciando il partner quark dell’antiquark a cercare un nuovo antiquark creato,ecc. Questo appare nel rivelatore dell’esperimento come un “getto” di particelle che escono dal protone iniziale al quark colpito o principale.

Un analogo di questo fenomeno jet dalla nostra esperienza quotidiana è fulmine. Quando la carica elettrica su una nuvola diventa sufficientemente grande, la forza forte sugli atomi dell’aria diventa così grande che si rompono in ioni caricati positivamente e negativamente. Se la nuvola è carica negativamente, attira gli ioni positivi, lasciando gli ioni negativi per cercare nuovi partner e creare una catena o “jet” attraverso l’aria che si vede come un fulmine.

Il Modello Standard spiega ora come queste forze forti non disturbino gli esperimenti di dispersione degli elettroni che forniscono informazioni sulle cariche elettriche dei quark. La teoria dei campi chiamata cromodinamica quantistica (QCD) afferma che sebbene le forze tra i quark diventino molto forti a lunghe distanze, diventano così deboli a brevi distanze che sono completamente trascurabili nello scattering di elettroni ad alta energia. Questa differenza tra il comportamento a breve e lunga distanza è chiamata libertà asintotica.

Le prove circostanziali a sostegno dell’immagine del Quark

Ci sono molte prove circostanziali a sostegno dell’esistenza del quark: l’accordo con i valori sperimentali della carica elettrica, dello spin e dei momenti magnetici delle particelle con le previsioni del modello di quark ha fornito prove sorprendenti.

Le cariche elettriche dei barioni costituite da tre quark con valori di carica elettrica +and e -⅓ possono essere solo +2, +1, 0 e -1. Le cariche elettriche dei mesoni fatte da un quark e il suo antiquark coniugato di carica possono essere solo 1, 0 e -1. Molte centinaia di particelle sono ora conosciute e finora tutte hanno solo questi valori per la carica elettrica.

Il movimento rotatorio delle particelle e la loro visualizzazione di un comportamento simile ai minuscoli magneti hanno fornito importanti indizi sulla loro struttura. Una parte superiore carica elettricamente rotante si comporta come un magnete. La forza del piccolo magnete dell’elettrone, chiamato il suo momento magnetico, è stata descritta con successo dalla famosa teoria ed equazione di Paul Dirac.

I momenti magnetici del protone e del neutrone hanno dato la prima indicazione che non erano elementari ma avevano una struttura più complicata. Il neutrone non ha carica elettrica, ma si comporta come un magnete fatto di filatura carica negativa. Ciò suggerisce che il neutrone non è un oggetto elementare senza carica elettrica, ma è costituito da blocchi di costruzione più piccoli con cariche sia positive che negative che ruotano in direzioni opposte. Il momento magnetico del protone è molto più grande di quello descritto dalla teoria di Dirac.

Uno dei primi successi del modello di quark è stato mostrare come i giusti valori sperimentali degli spin di particelle e dei momenti magnetici sono stati ottenuti sommando i contributi degli spin di quark e dei momenti magnetici in ciascuno. Un barione fatto di tre quark avrà uno spin tre volte lo spin dell’elettrone o del protone se gli spin sono paralleli e avrà uno spin uguale allo spin dell’elettrone se lo spin di uno è opposto allo spin degli altri due. Un mesone costituito da un quark e un antiquark avrà uno spin pari al doppio dello spin dell’elettrone se gli spin sono paralleli e zero spin se sono opposti e annullati. Gli spin di tutte le particelle misurate si adattano a questa immagine.

Per ottenere i valori dei momenti magnetici nel protone e nel neutrone, si deve prima notare che il protone è costituito da due quark u con spin paralleli e un quark d con spin opposto. I quark u e d hanno segni opposti di carica elettrica, i loro magneti puntano nella stessa direzione quando girano in direzioni opposte. Ogni momento magnetico quark è proporzionale alla sua carica elettrica. Quindi i due quark u nel protone con carica +⅔ contribuiscono ciascuno + units Unità di Dirac del momento magnetico, mentre il quark d con carica -⅓ gira nella direzione opposta e contribuisce -⅓ Unità di Dirac. In un’approssimazione grezza si aggiunge questi per ottenere il momento magnetico del protone come + 5/3 unità di Dirac. Il neutrone ha due quark d con unità di carica – ⅓ e spin paralleli ciascuno che contribuisce – ⅓ unità, e un quark u con carica- ⅔ e spin opposto che contribuisce – ⅔ unità per dare un momento magnetico neutronico di -4 / 3 unità Dirac. Questo dà -5 / 4 per il rapporto tra i momenti magnetici del protone e del neutrone. Un calcolo più accurato utilizzando l’aggiunta meccanica quantistica degli spin dà-3/2, che concorda notevolmente con il valore sperimentale di -1.46. La somma dei momenti neutronici e protonici è unit Unità di Dirac. Un’ipotesi ragionevole per il valore dell’unità di quark Dirac fornisce un valore sperimentale di 0,33.

Questo è tipico dell’accumulo di prove circostanziali a sostegno della convinzione che i quark siano i mattoni corretti della materia. Innanzitutto, le cariche elettriche del neutrone e del protone e tutte le altre particelle escono bene. In secondo luogo, vengono spiegati gli spin e i valori corretti molto precisi per i momenti magnetici del neutrone e del protone. Tutti questi confermano l’immagine che le particelle si comportano “come se fossero fatte di quark.”La loro elettricità, magnetismo, e spin sarebbe molto difficile da capire se non sono stati costruiti da questi elementi costitutivi. Non sarebbe chiaro, ad esempio, perché il neutrone, che non ha carica elettrica, abbia un momento magnetico simile al protone, che ha carica elettrica, o perché il neutrone abbia anche il segno opposto e il rapporto corretto con il momento protonico previsto dal modello di quark.

Questo è solo un esempio delle prove circostanziali a sostegno della conclusione che i quark sono gli elementi costitutivi di base di tutta la materia. Il modello standard che guida tutte le indagini teoriche e sperimentali in fisica delle particelle inizia con questa conoscenza, anche se singoli quark isolati non sono mai stati osservati.

Vedi anche: Eightfold Way; Standard Model; Symmetry Principles