2. I tasselli del puzzle

di P. de Simone, P. Patteri

Oggi sappiamo che le particelle elementari si dividono in 2 gruppi principali, i quark e i leptoni, e ogni gruppo è costituito di 6 elementi.

Tutta la materia che noi osserviamo è composta da soli tre tipi di particelle: i quark up e down (costituenti del protone e del neutrone, le due particelle che a loro volta sono i costituenti del nucleo dell'atomo) ed il leptone "elettrone". Lo schema mostrato in figura (ma come mai le particelle sono rappresentate ruotanti ?) indica però che esistono altre particelle oltre i quark up, down e l'elettrone: per quale motivo? Nelle interazioni con scambi di elevata energia che avvengono spontaneamente in natura ( raggi cosmici ) o che sono artificialmente prodotte in laboratori di fisica ( CERN  , LNF ) si crea una grande varietà di particelle [12] effimere, che in breve tempo si trasformano in particelle sempre più leggere fino ad assumere la forma della materia ordinaria (quando una particella si trasforma in altre particelle più leggere, i fisici parlano di "decadimento" [24]). Lo studio di queste particelle instabili e dei decadimenti che le trasformano nella materia ordinaria ha richiesto di affiancare ai quark up e down e all'elettrone nuovi quark e leptoni.

Nel 1947 Cecil Powell scoprì una di queste particelle effimere: il pione (τ). La figura di sinistra mostra il decadimento del pione osservato da Powell in una emulsione di una lastra fotografica esposta ai raggi cosmici. Oggi le tecniche di rivelazione sono completamente differenti. Gli urti tra particelle nelle macchine acceleratrici producono anche centinaia di particelle effimere come mostra la simulazione (figura di destra) di un moderno esperimento.

La tabella si è così completata con l'introduzione di nuovi leptoni (muone (μ), tau (τ) ed i neutrini) e nuovi quark (strano, charm, beauty, top).

L'elettrone (e), il muone (μ) e il tau (τ) hanno tutti carica elettrica, e sembrano differire l'uno dall'altro solo per avere masse diverse. L'elettrone è il più leggero dei tre. Ad ogni particella e, μ e τ è associata una particella detta neutrino (ν) che non trasporta alcuna carica elettrica . La massa dei neutrini non è ancora stata misurata con precisione, ma noi sappiamo che è molto piccola, quasi nulla! I neutrini sono particelle inafferrabili e in costante movimento, che in alcuni rari casi entrano in collisione con un quark o con un leptone. I leptoni più pesanti, i ν e i τ, si trasformano velocemente in leptoni più leggeri. I fisici hanno osservato molti di questi decadimenti e hanno scoperto che le regole secondo le quali queste particelle decadono possono essere spiegate se dividiamo i leptoni in tre famiglie o generazioni: l'elettrone e il suo neutrino (ν_e), il muone e il suo neutrino (ν_μ), il tau e il suo neutrino (ν_τ)

"nel processo di trasformazione di un leptone il numero dei membri di ogni famiglia prima e dopo la trasformazione deve rimanere costante".

Lo schema dei quark è molto simile a quello dei leptoni. Ci sono sei diversi quark: up, down, strange, charm, bottom e top, in ordine di massa crescente. Anche i quark si presentano in tre famiglie organizzate per massa crescente.