Fisica delle particelle

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Evento simulato di produzione del bosone di Higgs in interazione tra protoni a 14 TeV nell'esperimento CMS ad LHC

La fisica delle particelle è la branca della fisica che studia i costituenti fondamentali e le interazioni fondamentali della materia. Talvolta viene anche usata l'espressione fisica delle alte energie, quando si vuole far riferimento allo studio delle interazioni tra particelle elementari che si verificano ad altissima energia e che permettono di creare particelle non presenti in natura in condizioni ordinarie, come avviene usualmente con gli acceleratori di particelle.

Si tratta di una branca sperimentale della fisica moderna in continua e stretta collaborazione con la Fisica Teorica di cui testa teorie e modelli con i rispettivi dati sperimentali e fornendo a partire da questi eventuali nuovi modelli teorico-interpretativi.

Storia[modifica | modifica sorgente]

L'idea che la materia sia composta da particelle elementari, data quanto meno al VI secolo a.C. e nasce in ambito filosofico-materialista. La dottrina filosofica dell'"atomismo" era studiata da filosofi dell'antica Grecia quali Leucippo, Democrito ed Epicuro. Anche se già Isaac Newton nel XVII secolo pensava che la materia fosse composta da particelle, fu John Dalton che nel 1802 sostenne formalmente che la materia era composta da piccoli atomi.

La prima tavola periodica di Dimitri Mendeleev, del 1869 contribuì a cementare questa visione, prevalente per tutto il XIX secolo. Il lavoro di Joseph Thomson stabilì che gli atomi erano composti da elettroni leggeri e protoni massicci. Ernest Rutherford stabilì che i protoni erano concentrati in un nucleo compatto. Il nucleo era inizialmente ritenuto essere composto da protoni ed elettroni confinati (al fine di poter spiegare la differenza tra la carica elettrica e il peso atomico), ma fu in seguito scoperto essere composto da un nucleo di protoni e neutroni e da elettroni che vi orbitano attorno.

Negli anni cinquanta e sessanta si svilupparono macchine in grado di produrre e rivelare un'incredibile varietà di particelle. Si faceva riferimento a queste come allo "zoo delle particelle". Questo termine venne abbandonato dopo la formulazione del modello standard, durante gli anni settanta, nel quale questo grande numero di particelle venne spiegato in termini della combinazione di un numero (relativamente) piccolo di particelle fondamentali.

Descrizione[modifica | modifica sorgente]

Il concetto di particella nella fisica moderna[modifica | modifica sorgente]

In senso stretto, il termine particella non è del tutto corretto. Gli oggetti studiati dalla Fisica delle particelle, obbediscono ai principi della meccanica quantistica. Come tali, mostrano una dualità onda-corpuscolo, in base alla quale manifestano comportamenti da particella sotto determinate condizioni sperimentali e comportamenti da onda in altri. Teoricamente, non sono descritte né come onde né come particelle, ma come vettori di stato in un'astrazione chiamata spazio di Hilbert. Per una trattazione più dettagliata, si veda la teoria di campo quantistica. Seguendo le convenzioni dei fisici delle particelle, useremo "particelle elementari", per riferirci a oggetti come elettroni e fotoni, ben sapendo che queste "particelle" mostrano anche proprietà ondulatorie.

Urti e acceleratori[modifica | modifica sorgente]

Il principio fisico della generazione di nuove particelle è quello semplice degli urti ad elevata energia: facendo collidere tra di loro particelle ad alta energia cinetica, ovvero prossime alla velocità della luce c, il prodotto (sintesi) è, per l'uguaglianza tra massa ed energia, una nuova particella a massa/energia superiore che eventualmente decade in altre particelle figlie. Dall'analisi di tali decadimenti è possibile risalire alle caratteristiche della particella madre. In generale sono possibili due modi per rilevare nuove particelle subatomiche che fanno comunque ricorso a rivelatori di particelle:

  • rivelatori passivi a terra che sfruttano le collisioni naturali ad alta energia tra i raggi cosmici ad alta energia e l'atmosfera terrestre rilevandone i prodotti ovvero i decadimenti oppure posti in orbita su un satellite artificiale: questa è l'ottica in cui si muove l'Astrofisica particellare. Queste collisioni sono però poco frequenti rispetto a quelle producibili in laboratorio tramite acceleratori di particelle, ma hanno il vantaggio di avere a disposizione altissime energie naturalmente.
  • uso di acceleratori di particelle cariche per produrre fasci di particelle ad alta energia, fatti poi collidere tra loro rilevandone i prodotti in appositi rivelatori (collisioni artificiali). In questo caso il vantaggio sta nella luminosita' e nella frequenza di collisione, che è maggiore e più controllabile.

Il Modello Standard[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Modello Standard.

Tutte le particelle fino ad oggi osservate e le loro interazioni note possono essere descritte da una teoria quantistica chiamata Modello Standard che viene spesso considerata come la maggior conquista della fisica delle particelle teorica finora conseguita e che rappresenta anche l'attuale classificazione delle particelle finora conosciute.

Il modello descrive tutti i costituenti della materia fisica e tutte le interazioni fondamentali ad oggi noti, ad eccezione della gravità, ed ha avuto straordinarie verifiche sperimentali con la previsione di particelle effettivamente scoperte fin dagli anni sessanta. Le previsioni del modello standard sono state accuratamente verificate da tutti gli esperimenti realizzati fino ad ora, ed in particolare con le misure di precisione effettuate al LEP del CERN.

In particolare esso descrive la forza nucleare forte, la forza nucleare debole e l'elettromagnetismo (tre delle quattro forze fondamentali) attraverso dei bosoni mediatori, conosciuti come bosoni di gauge. I bosoni di gauge sono: fotoni, bosoni W-, bosoni W+, bosoni Z e gluoni. Il modello contiene inoltre 24 particelle fondamentali, che sono le costituenti della materia. Infine, prevede l'esistenza di un tipo di bosone conosciuto come bosone di Higgs, per anni teorizzato dai fisici e di cui recentemente, nel 2012, sono state trovate tracce in una collisione tra particelle nel LHC.

Il Modello Standard rappresenta un esempio di unificazione delle interazioni fondamentali: come le equazioni di Maxwell hanno permesso di unificare le interazioni elettriche e magnetiche in un'unica interazione elettromagnetica, nel Modello Standard le interazioni elettromagnetiche e deboli sono unificate in un'unica interazione elettrodebole.

Molti fisici delle particelle ritengono tuttavia che tale Modello rappresenti in realtà una descrizione incompleta della natura fisica e che una teoria ancor più fondamentale attenda ancora di essere scoperta ed elaborata. Infatti il Modello Standard non fornisce l'unificazione dell'interazione forte con quella elettrodebole (Teoria della grande unificazione) e non è in grado di comprendere la gravità (Teoria del Tutto), la cui trattazione in relatività generale non è ad oggi compatibile con la meccanica quantistica.

Ulteriori sviluppi dovranno quindi comprendere una teorica quantistica della gravitazione per l'unificazione definitiva delle tre forze citate anche con la gravità: la relatività generale si basa infatti sul modello "classico" di spaziotempo continuo in cui il valore del campo gravitazionale può assumere un valore arbitrariamente piccolo. Essa è dunque incompatibile col modello standard dove l'intensità dei campi dipende dalle particelle coinvolte e assume perciò solo determinati valori.

Ciononostante per circa trent'anni il modello standard ha resistito alle evidenze sperimentali; solo ultimamente alcune osservazioni astronomiche sullo spostamento verso il rosso dei quasar più lontani insieme ad alcuni risultati sperimentali sulla massa del neutrino e sulla misura del momento magnetico del muone hanno introdotto il dubbio che non si tratti di un modello completo.

L'esperimento CMS durante la fase di costruzione al CERN

La fisica delle particelle e l'Universo[modifica | modifica sorgente]

La Fisica delle Particelle, ovvero la fisica dell'infinitamente piccolo, è strettamente correlata con la Cosmologia, ovvero la fisica dell'infinitamente grande, in quanto le densità di energie in gioco nella Fisica delle Alte Energie (ad. es. negli acceleratori) sono paragonabili a quelle che erano presenti nell'Universo primordiale, potendone così studiare le caratteristiche fisiche in termini di particelle e interazioni. Così molte tra le domande principali che si pone la fisica delle particelle hanno anche interesse per comprendere meglio l'Universo, le sue origini e il suo destino. Tra queste:

  • Il bosone di Higgs, l'unica particella del Modello Standard non ancora osservata, che a mezzo dell'omonimo campo darebbe massa a tutte le altre particelle sin dai primi istanti di vita dell'Universo e a cui è stato dato il nome di Particella di Dio. La rilevazione sperimentale di tale particella è l'obiettivo principale degli esperimenti con l'LHC al CERN di Ginevra. Nel 2012, durante gli esperimenti ATLAS e CMS condotti con l'acceleratore LHC, è stata osservata una particella che presenta caratteristiche compatibili a quelle teorizzate per il Bosone di Higgs, con una probabilità prossima al 99%. Tuttavia, per poter dichiarare ufficialmente la scoperta, la probabilità di compatibilità non deve scendere sotto al 99,99994%.
  • L'asimmetria tra materia ed antimateria (violazione di CP) studiata in diversi esperimenti di fisica delle particelle potrebbe fornire informazioni utili a comprendere perché l'Universo si è evoluto, a partire dal Big Bang, in modo tale che oggi vi sia presente quasi esclusivamente materia e non antimateria.
  • La materia oscura presente nell'Universo, la cui origine è attualmente ignota, potrebbe essere spiegata con la presenza di nuovi tipi di particelle che potrebbero essere prodotte in laboratorio all'LHC. Dalla sua esistenza o meno potrebbe dipendere il destino dell'Universo grazie alla massa critica mancante in grado di arrestarne l'espansione, produrre una successiva contrazione e un nuovo Big crunch.

Centri di ricerca[modifica | modifica sorgente]

L'acceleratore tevatron al Fermilab

Nel campo della fisica delle particelle, i maggiori centri sperimentali di ricerca sono:

Oltre a questi, esistono molti altri laboratori nazionali e internazionali, che ospitano uno o più acceleratori di particelle.

La fisica delle particelle in Italia[modifica | modifica sorgente]

L'Italia svolge un ruolo di primo piano nella fisica delle particelle partecipando con posizioni di responsabilità importanti alla realizzazione ed alle ricerche che si effettuano nei più importanti progetti di fisica delle particelle. Le ricerche in questo settore sono finanziate in Italia in gran parte dall'INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) che collabora con decine di dipartimenti di fisica delle diverse università italiane.

Nel 1984 l'italiano Carlo Rubbia ha ricevuto Premio Nobel per la fisica per la conferma sperimentale dei Bosoni e Z al CERN di Ginevra.

L'Italia è uno stato membro fondatore del CERN, e per due volte ha avuto la direzione generale del laboratorio (Carlo Rubbia, dal 1989 al 1993 e Luciano Maiani dal 1999 al 2003).

Finanziamento internazionale dei grandi progetti di fisica delle particelle[modifica | modifica sorgente]

L'interno del tunnel LHC, dove sono stati installati magneti superconduttori.

La fisica delle particelle sta investigando, nel corso degli anni, fenomeni che avvengono ad energie sempre più grandi. Per fare questo con gli acceleratori sono necessarie apparecchiature sempre più complesse e di grandi dimensioni. Il progetto più grande, attualmente in fase di conclusione al CERN, è l'acceleratore LHC, il cui costo raggiunge diversi miliardi di euro. Anche se questa spesa viene distribuita durante un arco di tempo di oltre un decennio, necessario alla sua realizzazione, la fattibilità di progetti di tali dimensioni è possibile solo grazie al contributo finanziario di decine di nazioni.

I paesi finanziatori hanno dimostrato in diversi casi di essere attenti alla spesa per i grandi progetti di ricerca. Ad esempio, nel 1993, il congresso degli Stati Uniti fermò la costruzione del Superconducting Super Collider, dopo che erano già stati investiti 2 miliardi di dollari. Questo acceleratore, infatti, avrebbe costituito un "doppione" rispetto ad LHC, e, sebbene avrebbe consentito di raggiungere energie maggiori di LHC, quest'ultimo ha potuto riutilizzare tutti i lavori di ingegneria civile del precedente acceleratore LEP, realizzato in una tunnel sotterraneo lungo 27 km.

Ricadute tecnologiche[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Serendipità.

Le spese pubbliche per finanziare i grandi progetti di ricerca hanno comunque spesso ricadute tecnologiche positive di rilievo anche in settori diversi da quelli che le attività di ricerca hanno come finalità principale.

Tra le applicazioni che sono nate dall'ambiente di ricerca della fisica delle particelle vi sono:

  • il World Wide Web, nato al CERN per migliorare gli strumenti di comunicazione scientifica, il protocollo HTTP ed il linguaggio HTML;
  • rivelatori di particelle utilizzati per diagnostica medica[1];
  • l'adroterapia, che dovrebbe curare il cancro attraverso l'uso di acceleratori. Grazie alla possibilità di controllare con precisione l'energia e la localizzazione delle particelle accelerate, è possibile depositare dosi di radiazione in maniera controllata per distruggere le cellule cancerose senza danneggiare i tessuti circostanti;
  • la tomografia ad emissione di positroni, o PET, uno strumento di diagnostica medica che utilizza l'antimateria.

Fisica delle particelle, filosofia ed etica[modifica | modifica sorgente]

La fisica delle particelle ha avuto anche un grande impatto sulla filosofia della scienza. Filosofi e scienziati come Paul Feyerabend e Fritjof Capra, hanno criticato come riduzionistiche l'idea che ogni fenomeno noto possa essere spiegato in base alle leggi che regolano le interazioni tra particelle fondamentali. Obiezioni del genere sono state sollevate da persone dei campi più disparati, compresi molti moderni fisici delle particelle, fisici dello stato solido, chimici, biologi ed olisti metafisici. Mentre il modello standard non viene discusso, si sostiene che le proprietà delle particelle elementari non sono più fondamentali delle proprietà emergenti di atomi e molecole, e specialmente di insiemi di queste ultime statisticamente grandi. Queste critiche sostengono che anche una conoscenza completa delle particelle elementari sottostanti, non produrrà una conoscenza completa della natura, conoscenza che, all'atto pratico, è più importante.

Alcuni fisici dello stato solido mettono in dubbio ad un livello più profondo la nozione della fisica delle particelle come base per ogni altra conoscenza. Fanno notare che grandi numeri di oggetti possono subire comportamenti statistici ed avere proprietà indipendenti dalle proprietà delle particelle stesse.

Per di più, rilevano, esistono sistemi con componenti radicalmente diversi che possono subire comportamenti molto simili, e si è argomentato che le somiglianze di comportamento possono essere meglio comprese attraverso regole universali indipendenti dai singoli componenti dei sistemi stessi. Queste regole o processi sarebbero "più reali della materia" in quanto determinerebbero la comprensione condivisa dagli osservatori, e porrebbero limiti sulla fattibilità investigativa.

I riduzionisti tipicamente sostengono che tutto il progresso scientifico ha implicato forme di riduzionismo. Una breve contestazione di questo approccio, che al contempo ne chiarisce i problemi maggiori, è la seguente. Un computer è composto di circuiti elettronici, che eseguono delle istruzioni. Ora l'approccio riduzionista cerca di spiegare il software a partire dalle specifiche componenti elettroniche. Poiché il software, volendo, può essere eseguito su altre architetture, e persino a mano, la cosa non ha ovviamente senso. Sarebbe come cercare di spiegare le variazioni Goldberg in termini di onde di pressione: se per ipotesi si potesse stimolare direttamente il nervo acustico per ottenere sensazioni uditive, tutta la spiegazione non avrebbe senso.

Nella filosofia della scienza, l'esistenza del modello standard e la sua estensione suscitano molte questioni fondamentali per l'epistemologia, le scienze cognitive e persino per la teologia. Il modello standard è davvero "il livello fondamentale della realtà?" Oppure questa pretesa è stravagante, irragionevole, o pericolosa? L'impatto della fisica delle particelle sulla filosofia della scienza riguarda specialmente la difficoltà della sua validazione empirica, che richiede enormi acceleratori di particelle, la cui costruzione mobilita ingenti stanziamenti di risorse preziose, e i cui esperimenti sono per questo motivo difficilmente replicabili.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Medipix

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

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Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]

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