Lo Spin

Approfondimento a a cura di Pasquale Di Nezza

 Una proprietà fondamentale delle particelle è il "momento angolare intrinseco" detto spin (dall'inglese: rotazione). Tale caratteristica, fondamentale nel determinare il comportamento di una particella, costituisce un puro concetto quantistico difficile da visualizzare , ma l'immagine che ogni particella si comporti come una piccola trottola è la più vicina alla realtà.

Storicamente, il fisico tedesco Wolfgang Pauli , nel 1925, formulò una teoria dove, per descrivere compiutamente lo stato degli elettroni all'interno degli orbitali atomici, occorrevano quattro numeri quantici. I primi tre numeri erano necessari per descrivere il movimento di una particella carica puntiforme quale l'elettrone, il quarto era pensabile solo ipotizzando un grado di libertà rotatorio. Si deve però al fisico inglese Paul Dirac la formulazione quantistica dello spin. Nella meccanica quantistica sono permessi solo determinati valori della "rotazione" delle particelle. Tali valori possono essere solo interi o seminteri del quanto d'azione di Planck.

Negli anni, lo studio dello spin ha portato alla luce molte proprietà della materia. Ad esempio se gli elettroni non avessero spin 1/2, la struttura dell'atomo sarebbe completamente diversa e l'intero universo sarebbe diverso. Qual'è l'origine dello spin delle particelle non elementari come il protone o il neutrone è, comunque, ancora oggetto di profondi studi. Nel modello a quark si pensava di poter derivare tutte le proprietà "statiche" dei nucleoni (massa, carica elettrica e momento magnetico) dalle proprietà dei quark stessi. Questa descrizione è risultata troppo semplicistica perché i quark sono responsabili solo del 30% dello spin. Il resto è portato dai gluoni e dal fatto che tutti gli oggetti all'interno delle particelle (quark, antiquark, gluoni) hanno un momento angolare non trascurabile. In pratica tali oggetti, a coppie, ruotano in una incessante danza di avanescenti particelle in continua creazione e annichilazione. Due esperimenti internazionali con una grande partecipazione di ricercatori italiani, chiamati COMPASS e HERMES, rappresentano oggi il massimo impegno in questa linea di ricerca.