Quark (particella)

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In fisica delle particelle, un quark è un fermione elementare che partecipa all'interazione forte. In natura i quark non si trovano mai in isolamento, ma solo uniti in particelle composte dette adroni, come per esempio il protone e il neutrone.

La teoria dei quark venne avanzata per la prima volta nel 1963 dai fisici statunitensi Murray Gell-Mann e George Zweig, che ipotizzarono di poter spiegare le proprietà di molte particelle considerandole composte da quark elementari. Il nome quark deriva da "three quarks for Muster Mark", una frase senza senso contenuta nel romanzo Finnegans Wake di James Joyce. Altre fonti, invece, ritengono che il nome derivi da "QUestion mARK" cioè "punto interrogativo" in inglese, proprio per identificare la natura misteriosa e piena di interrogativi che li caratterizzava.^{[senza fonte]} Secondo invece la rivendicazione più recente prodotta nel 1987 dal fisico tedesco Friedrich Schlesinger nel libro "Zeitgenössische Theorien über Quarks", il termine sarebbe di sua ideazione poiché nel 1963 avrebbe avuto contatti con i fisici statunitensi Murray Gell-Mann e George Zweig, i quali si sarebbero impossessati delle sue scoperte. Tale teoria è stata fra l'altro confermata nel 1989 dal fisico italiano Nicola Cabibbo.

[modifica] Classificazione dei quark

I diversi ordini di grandezza della materia:
1. Materia (macroscopico)
2.Struttura molecolare (atomi)
3.Atomo (neutrone, protone, elettrone)
4.Elettrone
5.Quark
6.Stringhe

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. I fermioni sono raggruppati in tre famiglie: la prima, composta dai quark e dai leptoni di massa minore, contiene il quark up e down, l'elettrone, il suo neutrino, e le proprie antiparticelle. 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. Le altre varietà di quark possono essere prodotte solo negli acceleratori di particelle, e decadono rapidamente in quark UP e DOWN e nei cosiddetti quark CENTER, se la carica di energia raggiunge +2/3 e resta costante.

[modifica] La carica elettrica dei quark

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

Tutti i quark, essendo fermioni, hanno spin semi-intero, in questo caso uguale a 1/2 ħ.

Esiste un certo numero di varietà diverse di quark chiamati "sapori" ed essi sono: up, down, charm, strange, top e bottom.

1. le stime della massa di u e d sono controverse e ancora in fase di investigazione; infatti esistono suggerimenti in letteratura che il quark u sia essenzialmente privo di massa.

[modifica] La teoria Cromodinamica quantistica dei quark

Esiste un certo numero di varietà diverse di quark chiamati "sapori" ed essi sono: up, down, charm, strange, top e bottom. 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 della 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 fragmentazione, ed è uno dei processi meno compresi della fisica delle particelle. Come risultato della fragmentazione, 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.

[modifica] Bibliografia

• Feynman, R.P. "The reason for antiparticles", in The 1986 Dirac memorial lectures, R.P. Feynman and S. Weinberg. Cambridge University Press, 1987. ISBN 0-521-34000-4.
• Weinberg, Steven. The quantum theory of fields, Volume 1: Foundations. Cambridge University Press, 1995. ISBN 0-521-55001-7.

• Feynman, R.P., QED: La strana teoria della luce e della materia, Adelphi, ISBN 8845907198
• Claude Cohen-Tannoudji, Jacques Dupont-Roc, Gilbert Grynberg, Photons and Atoms: Introduction to Quantum Electrodynamics (John Wiley & Sons 1997) ISBN 0471184330
• Jauch, J. M., F. Rohrlich, F., The Theory of Photons and Electrons (Springer-Verlag, 1980)
• Feynman, R.P. Quantum Electrodynamics (Perseus Publishing, 1998) [ISBN 0201360756]

[modifica] Voci correlate

• Murray Gell-Mann
• Antiquark
• Carica di colore
• Sapore
• Cromodinamica quantistica
• Modello a quark costituenti
• Quark up
• Quark down
• Quark strange
• Quark charm
• Quark top
• Quark bottom
• Gluone
• Glueball
• Pentaquark
• Tetraquark
• Lista delle particelle
• Costanti di accoppiamento