Quark (particella)

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Quark
Quark structure proton.svg
Un protone, composto di due quark up e un quark down
Composizione Particella elementare
Famiglia Fermione
Generazione 1a, 2a, 3a
Interazione Elettromagnetismo, Gravitazione, Forte, Debole
Antiparticella Antiquark (\bar{\mathrm{q}})
Teorizzata Murray Gell-Mann (1964)
George Zweig (1964)
Scoperta SLAC (~1968)
Simbolo q
N° tipi 6 (up, down, charm, strange, top e bottom)
Carica di colore Si
Spin ½

In fisica delle particelle il quark è un fermione elementare che partecipa all'interazione forte.

In natura i quark non si trovano mai isolati, ma solo uniti in particelle composte dette adroni, come per esempio il protone e il neutrone.

Storia[modifica | modifica sorgente]

La teoria dei quark venne avanzata per la prima volta nel 1964 dai fisici statunitensi Murray Gell-Mann[1] e George Zweig,[2][3] che ipotizzarono di poter spiegare le proprietà di molte particelle considerandole composte da quark elementari.[4]

Il nome "quark" è stato suggerito da Murray Gell-Mann, come riferisce lui stesso da un termine privo di significato di un passo del romanzo Finnegans Wake di James Joyce, che egli stava leggendo al tempo della scoperta:

Three quarks for Muster Mark!
Sure he has not got much of a bark
And sure any he has it's all beside the mark.
James Joyce, Finnegans Wake[5]

Ulteriori dettagli a questo riguardo[6] vengono dati da Gell-Mann nel suo libro The Quark and the Jaguar, Adventures in the Simple and the Complex (Il Quark ed il Giaguaro, avventure nel semplice e nel complesso).[7]

Classificazione[modifica | modifica sorgente]

I diversi ordini di grandezza della materia (secondo la Teoria delle stringhe):
1. Materia (macroscopico)
2.Struttura molecolare (atomi)
3.Atomo (neutrone, protone, elettrone)
4. Elettrone
5. Quark
6. Stringhe
A four-by-four table of particles. Columns are three generations of matter (fermions) and one of forces (bosons). In the first three columns, two rows contain quarks and two leptons. The top two rows' columns contain up (u) and down (d) quarks, charm (c) and strange (s) quarks, top (t) and bottom (b) quarks, and photon (γ) and gluon (g), respectively. The bottom two rows' columns contain electron neutrino (ν sub e) and electron (e), muon neutrino (ν sub μ) and muon (μ), and tau neutrino (ν sub τ) and tau (τ), and Z sup 0 and W sup ± weak force. Mass, charge, and spin are listed for each particle.
La suddivisione delle particelle nel Modello Standard. I sei tipi (o sapori) di quark sono colorati in violetto. Le colonne rappresentano le tre generazioni dei fermioni.


Secondo il Modello Standard la materia è costituita da particelle dette fermioni che interagiscono fra loro grazie alle interazioni fondamentali mediate da altre particelle elementari dette bosoni.[8]

I quark sono fermioni, soggetti alla statistica di Fermi-Dirac e al principio di esclusione di Pauli, in base al quale due fermioni identici non possono occupare simultaneamente lo stesso stato quantico. I bosoni invece hanno spin intero, obbediscono alla statistica di Bose-Einstein e non sono soggetti al principio di esclusione, per cui non hanno restrizioni nell'occupazione degli stati quantici.[9]

I fermioni sono raggruppati in tre generazioni, ognuna composta da due leptoni e due quark (più le loro antiparticelle dette antiquark). In totale si originano in questo modo sei tipi di quark, differenziati da quello che viene chiamato il loro sapore: la prima generazione è composta dai quark e dai leptoni di massa minore e contiene il quark up e down; la seconda include il quark charm e il quark strange; della terza fanno parte il quark top e il quark bottom.

Le ricerche di una quarta generazione di fermioni sono tutte fallite,[10] e secondo alcuni autori non ci sono più di tre generazioni.[11]

Le particelle delle generazioni successive hanno in genere massa più elevata, ma minore stabilità, il che le fa decadere in particelle di generazione precedente attraverso l'interazione debole. Solo i quark di prima generazione (up e down) esistono spontaneamente in natura. I quark più pesanti si possono originare solo in collisioni ad alta energia, condizioni che si verificano in natura nei raggi cosmici o che vengono riprodotte artificialmente negli acceleratori di particelle[12] e decadono rapidamente. Si ritiene che fossero presenti durante i primi istanti dopo il Big Bang, quando l'universo si trovava in una fase estremamente calda e densa.

I quark up e down si combinano tra loro in gruppi di tre quark per formare i barioni che comprendono i protoni e neutroni, e in gruppi di due per formare i mesoni. Il protone è formato da due quark up e un down con carica totale di +1. Un neutrone, invece, è formato da due quark down e un quark up, che danno carica totale pari a zero.

I barioni insieme ai mesoni sono classificati nella famiglia degli adroni. Si ritiene che i quark non esistano da soli ma solo in gruppi di due o tre (e, più recentemente, cinque); tutte le ricerche di quark singoli, fin dal 1977 hanno avuto esito negativo.

Carica elettrica[modifica | modifica sorgente]

I quark si differenziano dai leptoni, l'altra famiglia di fermioni elementari, per la carica elettrica. I leptoni (come l'elettrone, il muone, il tau o il neutrino) hanno carica intera (0 o −1) mentre i quark hanno carica +2/3 o −1/3 (gli antiquark hanno invece carica −2/3 o +1/3).

Spin[modifica | modifica sorgente]

Lo spin viene rappresentato come un vettore euclideo la cui lunghezza è misurata in unità di costante di Planck ridotta ħ. Per i quark la componente del vettore lungo l'asse di riferimento può assumere solo i valori +ħ/2 o −ħ/2. Avendo spin semi-intero tutti i quark sono fermioni[13]

La componente dello spin lungo l'asse (che per convenzione è l'asse z) viene a volte anche rappresentata con una freccia diretta verso l'alto per lo spin +1/2 e con la freccia verso il basso per lo spin −1/2, posizionate subito dopo il simbolo del sapore. Così ad esempio un quark up con spin +1/2 può anche venire indicato con u↑.[14]

Proprietà dei sapori dei quark[modifica | modifica sorgente]

Ai vari sapori dei quark sono assegnati dei numeri quantici di sapore: isospin (I3), charm (C), stranezza (S, da non confondere con lo spin ), topness (T), e bottomness (B′).

Il numero barionico (B) ha lo stesso valore (+ 1/3) per tutti i quark, dal momento che i barioni sono costituiti da tre quark.

Per gli antiquark, la carica elettrica Q e i numeri quantici di sapore (B, I3, C, S, T, and B′) hanno segno opposto. La massa e il momento angolare totale invece non sono soggetti al cambiamento di segno.

Le proprietà fondamentali dei sei sapori di quark sono riassunte nella tabella seguente:

Proprietà dei sapori dei quark[15]
Nome Simbolo Massa (MeV/c2)* J B Q I3 C S T B′ Antiparticella Simbolo
Prima generazione
Up u da 1,7 a 3,3 1/2 + 1/3 + 2/3 +1/2 0 0 0 0 Antiup \bar{\mathrm{u}}
Down d da 4,1 a 5,8 1/2 +1/3 −1/3 −1/2 0 0 0 0 Antidown \bar{\mathrm{d}}
Seconda generazione
Charm c 1270 +70−90 1/2 +1/3 +2/3 0 +1 0 0 0 Anticharm \bar{\mathrm{c}}
Strange s 101 +29−21 1/2 +1/3 −1/3 0 0 −1 0 0 Antistrange \bar{\mathrm{s}}
Terza generazione
Top t 172 000 ± 1 300 1/2 +1/3 +2/3 0 0 0 +1 0 Antitop \bar{\mathrm{t}}
Bottom b 4190 +180−60 1/2 +1/3 −1/3 0 0 0 0 −1 Antibottom \bar{\mathrm{b}}
dove: J =momento angolare totale, B = numero barionico, Q = carica elettrica, I3 = isospin, C = charm, S = stranezza, T = topness, B′ = bottomness.
* Notazioni come 4190 +180−60 denotano l'incertezza di misura. Nel caso del quark top, il primo valore è l'incertezza statistica in natura, il secondo rappresenta l'errore sistematico.

Interazione debole[modifica | modifica sorgente]

Diagramma di Feynman del decadimento beta rispetto al tempo. La matrice CKM codifica la probabilità di questo e altri modi di decadimento dei quark.

Un quark di un determinato sapore può trasformarsi in un quark di un altro sapore soltanto attraverso l'interazione debole, una delle quattro interazioni fondamentali nella fisica delle particelle. Assorbendo o emettendo un bosone W, ogni quark di tipo "up" (up, charm e top) può cambiarsi in un quark di tipo "down" (down, strange e bottom) e viceversa. Questo meccanismo di trasformazione del sapore provoca un processo radioattivo di decadimento beta nel quale un neutrone (n) si suddivide in un protone (p), un elettrone (e) e un antineutrino elettronico \bar\nu . Questo avviene quando uno dei quark di tipo down del neutrone (udd) decade in un quark di tipo up emettendo un bosone virtuale W che trasforma il neutrone in un protone (uud). Il bosone W decade in un elettrone e un antineutrino elettronico.[16]

n → p + e− + \bar\nu (decadimento beta, notazione adronica)
udd → uud + e− +\nu (decadimento beta, notazione a quark)

Sia il decadimento beta che il processo di decadimento inverso sono usati normalmente in esperimenti alle alte energie come la rilevazione dei neutrini e in applicazioni mediche come la tomografia ad emissione di positroni (PET).

Three balls "u", "c", and "t" noted "up-type quarks" stand above three balls "d", "s", "b" noted "down-type quark". The "u", "c", and "t" balls are vertically aligned with the "d", "s", and b" balls respectively. Colored lines connect the "up-type" and "down-type" quarks, with the darkness of the color indicating the strength of the weak interaction between the two; The lines "d" to "u", "c" to "s", and "t" to "b" are dark; The lines "c" to "d" and "s" to "u" are grayish; and the lines "b" to "u", "b" to "c", "t" to "d", and "t" to "s" are almost white.
La forza delle interazioni deboli tra i sei quark. L'intensità delle linee è determinata dagli elementi della matrice CKM.

Anche se il processo di trasformazione del sapore è lo stesso per tutti i quark, ciascuno di essi ha la preferenza a trasformarsi in un quark della stessa generazione. Le relative tendenze alla trasformazione sono date dai valori della matrice di Cabibbo–Kobayashi–Maskawa (matrice CKM):[17]

|V_ud| ≅ 0{,}974; |V_us| ≅ 0{,}225; |V_ub| ≅ 0{,}003; |V_cd| ≅ 0{,}225; |V_cs| ≅ 0{,}973; |V_cb| ≅ 0{,}041; |V_td| ≅ 0{,}009; |V_ts| ≅ 0{,}040; |V_tb| ≅ 0{,}999.

dove Vij rappresenta la tendenza di un quark di sapore i a cambiarsi in un quark di sapore j (o viceversa).

L'equivalente matrice di decadimento dei leptoni (alla destra del bosone W nel diagramma di Feynman) viene chiamata matrice di Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata o matrice PMNS.[18] Le due matrici CKM e PMNS assieme descrivono tutte le trasformazioni di sapore, ma la relazione tra le due non è ancora ben chiarita.[19]

Cromodinamica quantistica[modifica | modifica sorgente]

In base alla teoria della cromodinamica quantistica (QCD), i quark possiedono un'altra proprietà chiamata carica di colore (che non ha niente a che vedere con i colori reali), invece di due tipi differenti di carica (come il + e il − dell'elettromagnetismo), la carica di colore è di tre tipi: rosso, verde e blu (6 se contiamo le anticariche). Attualmente non sono state osservate particelle colorate: tutte le particelle conosciute hanno colore neutro. I barioni sono quindi composti da un quark rosso, uno verde e uno blu; il protone ed il neutrone ne sono i principali esempi. I mesoni, invece, sono composti da un quark e da un antiquark del corrispondente anticolore. Questi ultimi però sono instabili.

I colori dei quark non sono statici, ma vengono scambiati, sempre mantenendo il risultato neutro, dai gluoni: particelle anch'esse dotate di carica di colore e responsabili della propagazione dell'interazione forte. È proprio l'interazione forte che tiene insieme i quark, a formare mesoni e barioni; un effetto secondario di questa forza è quello di tenere neutroni e protoni uniti nel nucleo atomico.

A causa dell'estrema intensità della forza nucleare forte, i quark non si trovano mai liberi. Sono sempre legati in barioni e mesoni. Quando si cerca di separare i quark, come avviene negli acceleratori di particelle, la forza nucleare forte aumenta con l'aumentare della distanza tra i quark. A un certo punto diventa più favorevole, dal punto di vista energetico, creare altri due quark per cancellare la forza crescente, e due nuovi quark (un quark e un antiquark) spuntano dal nulla. Questo processo viene detto adronizzazione o frammentazione, ed è uno dei processi meno compresi della fisica delle particelle. Come risultato della frammentazione, quando i quark vengono prodotti negli acceleratori, invece di vedere l'individuale quark nei rilevatori, gli scienziati vedono getti di molte particelle color-neutre (mesoni e barioni) impacchettate assieme.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ M. Gell-Mann, A Schematic Model of Baryons and Mesons in Physics Letters, vol. 8, nº 3, 1964, pp. 214–215, DOI:10.1016/S0031-9163(64)92001-3.
  2. ^ G. Zweig, An SU(3) Model for Strong Interaction Symmetry and its Breaking in CERN Report No.8182/TH.401, 1964.
  3. ^ G. Zweig, An SU(3) Model for Strong Interaction Symmetry and its Breaking: II in CERN Report No.8419/TH.412, 1964.
  4. ^ B. Carithers, P. Grannis, Discovery of the Top Quark (PDF) in Beam Line, vol. 25, nº 3, SLAC, 1995, pp. 4–16. URL consultato il 23 settembre 2008.
  5. ^ J. Joyce, Finnegans Wake, Penguin Books [1939], 1992, p. 383, ISBN 0-14-00-6286-6.
  6. ^ La citazione originale è la seguente: In 1963, when I assigned the name "quark" to the fundamental constituents of the nucleon, I had the sound first, without the spelling, which could have been "kwork". Then, in one of my occasional perusals of Finnegans Wake, by James Joyce, I came across the word "quark" in the phrase "Three quarks for Muster Mark". Since "quark" (meaning, for one thing, the cry of the gull) was clearly intended to rhyme with "Mark", as well as "bark" and other such words, I had to find an excuse to pronounce it as "kwork". But the book represents the dream of a publican named Humphrey Chimpden Earwicker. Words in the text are typically drawn from several sources at once, like the "portmanteau" words in "Through the Looking-Glass". From time to time, phrases occur in the book that are partially determined by calls for drinks at the bar. I argued, therefore, that perhaps one of the multiple sources of the cry "Three quarks for Muster Mark" might be "Three quarts for Mister Mark", in which case the pronunciation "kwork" would not be totally unjustified. In any case, the number three fitted perfectly the way quarks occur in nature.
  7. ^ M. Gell-Mann, The Quark and the Jaguar: Adventures in the Simple and the Complex, Henry Holt and Co., 1995, p. 180, ISBN 978-0805072532.
  8. ^ C. Amsler et al. (Particle Data Group), Higgs Bosons: Theory and Searches in Physics Letters B, vol. 667, nº 1, 2008, pp. 1–1340, DOI:10.1016/j.physletb.2008.07.018.
  9. ^ K.A. Peacock, The Quantum Revolution, Greenwood Publishing Group, 2008, p. 125, ISBN 031333448X.
  10. ^ C. Amsler et al. (Particle Data Group), Review of Particle Physics: b′ (4th Generation) Quarks, Searches for in Physics Letters B, vol. 667, nº 1, 2008, pp. 1–1340, DOI:10.1016/j.physletb.2008.07.018.
    C. Amsler et al. (Particle Data Group), Review of Particle Physics: t′ (4th Generation) Quarks, Searches for in Physics Letters B, vol. 667, nº 1, 2008, pp. 1–1340, DOI:10.1016/j.physletb.2008.07.018.
  11. ^ D. Decamp, Determination of the number of light neutrino species in Physics Letters B, vol. 231, nº 4, 1989, p. 519, DOI:10.1016/0370-2693(89)90704-1.
    A. Fisher, Searching for the Beginning of Time: Cosmic Connection in Popular Science, vol. 238, nº 4, 1991, p. 70.
    J.D. Barrow, The Singularity and Other Problems in The Origin of the Universe, Reprint, Basic Books [1994], 1997, ISBN 978-0465053148.
  12. ^ D.H. Perkins, Particle Astrophysics, Oxford University Press, 2003, p. 4, ISBN 0-19-850952-9.
  13. ^ F. Close, The New Cosmic Onion, CRC Press, 2006, pp. 80–90, ISBN 1-58488-798-2.
  14. ^ D. Lincoln, Understanding the Universe, World Scientific, 2004, p. 116, ISBN 981-238-705-6.
  15. ^ K. Nakamura et al. (Particle Data Group), Review of Particle Physics: Quarks in Journal of Physics G, vol. 37, 2010, p. 075021, DOI:10.1088/0954-3899/37/7A/075021.
  16. ^ Weak Interactions in Virtual Visitor Center, Stanford Linear Accelerator Center, 2008. URL consultato il 28 settembre 2008.
  17. ^ K. Nakamura et al., Review of Particles Physics: The CKM Quark-Mixing Matrix in J. Phys. G, vol. 37, nº 075021, 2010, p. 150.
  18. ^ Z. Maki, M. Nakagawa, S. Sakata, Remarks on the Unified Model of Elementary Particles in Progress of Theoretical Physics, vol. 28, nº 5, 1962, p. 870, DOI:10.1143/PTP.28.870.
  19. ^ B.C. Chauhan, M. Picariello, J. Pulido, E. Torrente-Lujan, Quark–lepton complementarity, neutrino and standard model data predict θPMNS13 = (va) in European Physical Journal, C50, nº 3, 2007, pp. 573–578, DOI:10.1140/epjc/s10052-007-0212-z, arΧiv:hep-ph/0605032.

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

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