Leggendo alcuni articoli in diversi web-site, compreso SxT si parla dell’antimateria e di come ogni particella abbia il suo partner con carica opposta, l’antiparticella appunto (protoni e antiprotoni, elettroni e positroni, quark e antiquark). Tuttavia sono rimasto perplesso di fronte alla citazione riguardante il neutrone, che secondo alcuni anch'esso dovrebbe avere una anticarica, ma come può essere ciò se la sua carica è neutra?
Caro Luca, rispondo subito alla tua domanda, e successivamente entro nei dettagli per chiarire meglio la mia risposta.
Nella tabella sono riportate le particelle elementari previste dal Modello Standard.
Nel nucleo atomico solo l’ elettrone è elementare; netrone e protone sono composti ognuno da tre quark.
Ecco la risposta diretta: il neutrone è una particella senza carica elettrica ma con un altra caratteristica che chiamiamo carica “barionica” (B). In particolare diciamo che il neutrone ha carica barionica B=1. Per via di questa nuova caratteristica, neutroni ed anti-neutroni si comportano diversamente e sono quindi interpretate come particelle distinte l’una dall’altra. Ad esempio, un neutrone decade prevalentemente in un protone, un elettrone ed un anti-neutrino attraverso il cosiddetto decadimento beta. Mentre un anti-neutrone decade in un anti-protone, un anti-elettrone (o positrone) ed un neutrino (invece che anti-neutrino).
Chiariamo ora meglio la questione. La tua confusione è più che lecita. È dovuta al fatto che nella vita di ogni giorno quando diciamo “carica” intendiamo più precisamente “carica elettrica”, mentre i fisici hanno in mente una definizione molto più generale.
Mettendo ordine ai complicati risultati di numerosi esperimenti che studiavano collisioni tra particelle, gli scienziati si sono accorti che esistono delle precise regole che questi fenomeni seguono. Alcune di queste regole sono note ai più. Sappiamo ad esempio che l’energia e l’impulso totali si conservano in una qualsiasi interazione tra particelle. Ma ci sono altre quantità che si conservano in questi fenomeni. Esse vengono chiamate cariche. La carica elettrica è solo un tipo particolare di carica, ma non l’unica. Le interazioni tra particelle del Modello Standard sembrano infatti conservare altre due cariche oltre alla carica elettrica (Q): la carica “barionica” (B) e la carica “leptonica” (L). Come la carica elettrica, ogni particella ha una carica barionica ed una leptonica, e un insieme di particelle hanno carica totale uguale alla somma delle cariche delle singole particelle. Se facciamo collidere un insieme di particelle del Modello Standard con una certa carica totale elettrica, una certa carica totale barionica e leptonica, le particelle che osserviamo uscire dalla collisione possono essere diverse da quelle iniziali (cioè possono essere in un numero diverso e avere spin e masse diverse), ma le loro cariche elettriche, barioniche e leptoniche totali dovranno essere esattamente le stesse di quelle iniziali.
Quali sono le cariche delle particelle fondamentali? Sappiamo che il Modello Standard divide le particelle fermioniche in leptoni e quark. Questa distinzione si manifesta anche nelle diverse cariche che caratterizzano queste particelle. I leptoni hanno tutti carica barionica nulla e carica leptonica L=+1 mentre i quark hanno tutti carica barionica +1/3 e carica leptonica nulla. L’elettrone ha quindi una carica elettrica pari a Q=-1, una carica
barionica nulla (B=0) e una carica leptonica L=+1. Il protone è composto da tre quark e ha perciò B=+1 e L=0 (oltre ad avere carica elettrica pari a Q=+1). Il neutrone ha anche lui B=+1 e L=0 (ma Q=0). Infine, i bosoni del Modello Standard (il fotone, i bosoni vettori W e Z, i gluoni e il bosone di Higgs) sono tutti neutri sotto carica barionica e leptonica (B=L=0). Le anti-particelle hanno tutte le cariche invertite rispetto alle corrispondenti particelle, ma esattamente la stessa massa. Quindi l’anti-particella dell’elettrone, il cosiddetto positrone, ha Q=+1, B=0 e L=-1. L’anti-neutrone ha invece B=-1, L=Q=0. Il fotone non ha nessuna carica, quindi diciamo che è equivalente alla sua anti-particella: non esistono reazioni che possano provare la differenza tra il fotone ed un ipotetico “anti-fotone”.
Concludo con una domanda: siamo sicuri che le cariche barionica e leptonica siano esattamente conservate in Natura? No, non lo sappiamo. Tutti le collisioni che abbiamo studiato finora sembrano indicare di si, ma non possiamo essere sicuri che questo rimanga vero per sempre. Esistono interessanti esperimenti che cercano ipotetici fenomeni rari che violano queste cariche. L’osservazione del decadimento del protone, ad esempio, indicherebbe che il numero barionico non è esattamente conservato. Questo perché non esistono altre particelle con carica B più leggere del protone, quindi il suo ipotetico prodotto di decadimento avrebbe necessariamente B=0! Da un certo punto di vista sarebbe sorprendente se B ed L fossero esattamente conservate. Il nostro pianeta, come gli altri pianeti del sistema solare, il sole e tutte e altre stelle, sono sistemi elettricamente neutri perché esiste un esatto bilanciamento tra il numero di protoni ed elettroni. Ma tali sistemi sono tutti costituiti in prevalenza da elettroni, protoni e neutroni... non ci sono anti-elettroni, anti-protoni e anti-neutroni... quindi hanno un’enorme carica barionica e leptonica totale. La domanda quindi sorge spontanea: come è possibile che le leggi dell’Universo impongano la conservazione di queste due cariche e, al contempo, spieghino una tale disparità tra il numero totale di barioni e anti- barioni, o leptoni e anti-leptoni nell’Universo? La risposta a questa domanda rimane tutt’ora un mistero.
risponde L. Vecchi,
ultimo aggiornamento marzo 2020