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LE PRINCIPALI SCOPERTE SCIENTIFICHE
Classificazione delle particelle elementari. Storia ed essenza della scoperta scientifica
Elenco / Le scoperte scientifiche più importanti "Quante particelle elementari sono state scoperte finora?", si chiede Regge nel suo libro di fisica. "A giudicare dallo spessore di brevi libri di riferimento che ne descrivono le proprietà e che sono in circolazione tra i fisici, allora diverse centinaia. Molte di queste particelle vengono raccolte in famiglie simili a famiglie di nucleoni o pioni. Queste famiglie svolgono un ruolo paragonabile a quello del sistema periodico di Mendeleev, così utile in chimica. Ma è proprio questa somiglianza che suggerisce che siamo impegnati nella classificazione di oggetti simili agli atomi , e per nulla elementare. In un modo o nell'altro , ma la ricerca di costituenti veramente elementari della materia era già ricominciata.Nel 1963 divenne chiaro che le particelle dovevano essere combinate in famiglie più grandi. I filosofi della Grecia antica attribuivano agli atomi forme eccezionalmente regolari e simmetriche. Sebbene gli atomi reali siano molto lontani da questo, l'idea che il concetto di simmetria dovrebbe svolgere un ruolo importante nella fisica rimane. La classificazione delle particelle per famiglie riflette solo l'esistenza di una sorta di simmetria in natura ... " La fisica delle particelle elementari negli anni Cinquanta era in fase di formazione. I principali mezzi di ricerca sperimentale in questa branca della fisica erano gli acceleratori che "sparano" un raggio di particelle in un bersaglio stazionario: quando le particelle incidenti si scontrano con il bersaglio, sono nate nuove particelle. Con l'aiuto di acceleratori, gli sperimentatori sono riusciti a ottenere diversi nuovi tipi di particelle elementari, oltre ai già noti protoni, neutroni ed elettroni. I fisici teorici hanno cercato di trovare uno schema che consentisse di classificare tutte le nuove particelle. Gli scienziati hanno scoperto particelle con un comportamento insolito (strano). Il tasso di nascita di tali particelle a seguito di alcune collisioni indicava che il loro comportamento è determinato dalla forte interazione, caratterizzata dalla velocità. Le interazioni forti, deboli, elettromagnetiche e gravitazionali formano quattro interazioni fondamentali che sono alla base di tutti i fenomeni. Allo stesso tempo, le strane particelle decaddero per un tempo insolitamente lungo, cosa impossibile se il loro comportamento fosse determinato dall'interazione forte. Il tasso di decadimento delle strane particelle sembrava indicare che questo processo fosse determinato da un'interazione molto più debole. Sulla soluzione di questo compito più difficile, e concentrò la sua attenzione Gell-Mann. Murray Gell-Mann è nato il 15 settembre 1929 a New York ed era il figlio più giovane degli emigranti austriaci Arthur e Pauline (Reichstein) Gell-Mann. All'età di quindici anni, Murry è entrata alla Yale University. Si è laureato nel 1948 con una laurea in Scienze. Ha trascorso gli anni successivi come studente laureato presso il Massachusetts Institute of Technology. Qui, nel 1951, Gell-Mann ha conseguito il dottorato in fisica. Dopo un anno di permanenza al Princeton Institute for Basic Research (New Jersey), Gell-Mann iniziò a lavorare all'Università di Chicago con Enrico Fermi, prima come docente (1952–1953), poi come assistente (1953–1954) e come professore a contratto (1954–1955). Nel 1955 Gell-Mann divenne professore associato presso la facoltà del Caltech. Ha scelto il concetto noto come indipendenza dalla carica come punto di partenza delle sue costruzioni. La sua essenza risiede in un certo raggruppamento di particelle, sottolineando la loro somiglianza. Ad esempio, nonostante il fatto che il protone e il neutrone differiscano nella carica elettrica (il protone ha una carica di + 1, il neutrone - 0), sotto tutti gli altri aspetti sono identici. Si possono quindi considerare come due varietà dello stesso tipo di particelle, dette nucleoni, aventi una carica media, o centro di carica, pari a 1/2. È consuetudine dire che un protone e un neutrone formano un doppietto. Anche altre particelle possono essere incluse in doppiette simili o in gruppi di tre particelle dette triplette, oppure in "gruppi" costituiti da una sola particella, dette singoletti. Il nome generico per un gruppo costituito da un numero qualsiasi di particelle è un multipletto. Tutti i tentativi di raggruppare particelle strane in modo simile non hanno avuto successo. Sviluppando il suo schema per il loro raggruppamento, Gell-Mann ha scoperto che la carica media dei loro multipletti differisce dalla carica media dei nucleoni. Ha concluso che questa differenza potrebbe essere una proprietà fondamentale delle particelle strane e ha proposto di introdurre una nuova proprietà quantistica chiamata stranezza. Per ragioni algebriche, la stranezza di una particella è pari al doppio della differenza tra la carica media del multipletto e la carica media del nucleone + 1/2. Gell-Mann ha mostrato che la stranezza è conservata in tutte le reazioni che coinvolgono la forza forte. In altre parole, la stranezza totale di tutte le particelle prima dell'interazione forte deve essere assolutamente uguale alla stranezza totale di tutte le particelle dopo l'interazione. La conservazione della stranezza spiega perché il decadimento di tali particelle non può essere determinato dall'interazione forte. Quando alcune altre particelle non strane entrano in collisione, le particelle strane vengono prodotte a coppie. In questo caso, la stranezza di una particella compensa la stranezza dell'altra. Ad esempio, se una particella in una coppia ha stranezza +1, la stranezza dell'altra è -1. Ecco perché la stranezza totale delle particelle non strane, sia prima che dopo la collisione, è uguale a 0. Dopo la nascita, le particelle strane si separano. Una particella strana isolata non può decadere a causa della forte interazione se i suoi prodotti di decadimento devono essere particelle con estraneità zero, poiché un tale decadimento violerebbe la conservazione della stranezza. Gell-Mann ha mostrato che la forza elettromagnetica (il cui tempo caratteristico si trova tra i tempi delle interazioni forte e debole) conserva anche la stranezza. Così, particelle strane, essendo nate, sopravvivono fino al decadimento, determinato dall'interazione debole, che non conserva la stranezza. Lo scienziato pubblicò le sue idee nel 1953. Nel 1961, Gell-Mann scoprì che il sistema di multipletti da lui proposto per descrivere particelle strane poteva essere incluso in uno schema teorico molto più generale, che gli permetteva di raggruppare tutte le particelle fortemente interagenti in "famiglie". Lo scienziato chiamò il suo schema l'ottuplice sentiero (per analogia con gli otto attributi di una vita retta nel buddismo), poiché alcune particelle erano raggruppate in famiglie con otto membri ciascuna. Lo schema di classificazione delle particelle da lui proposto è anche noto come simmetria ottale. Presto, indipendentemente da Gell-Man, una classificazione simile delle particelle fu proposta dal fisico israeliano Yuval Neeman. L'ottuplice percorso dello scienziato americano è spesso paragonato al sistema periodico di elementi chimici di Mendeleev, in cui gli elementi chimici con proprietà simili sono raggruppati in famiglie. Come Mendeleev, che ha lasciato alcune celle vuote nella tavola periodica, predicendo le proprietà di elementi ancora sconosciuti, Gell-Mann ha lasciato posti liberi in alcune famiglie di particelle, suggerendo quali particelle con il giusto insieme di proprietà dovrebbero riempire i "vuoti". La sua teoria ricevette una parziale conferma nel 1964, dopo la scoperta di una di queste particelle. Nel 1963, mentre era professore in visita al Massachusetts Institute of Technology, Gell-Mann scoprì che la struttura dettagliata dell'ottuplice percorso poteva essere spiegata assumendo che ogni particella coinvolta nell'interazione forte fosse costituita da una tripletta di particelle con una carica frazionaria carica elettrica del protone. Alla stessa scoperta è giunto il fisico americano George Zweig, che ha lavorato presso il Centro europeo per la ricerca nucleare. Gell-Mann chiamò quark di particelle a carica frazionata, prendendo in prestito la parola da Finnegans Wake di James Joyce ("Tre quark per Mr. Mark!"). I quark possono avere una carica di +2/3 o -1/3. Ci sono anche antiquark con cariche di -2/3 o +1/3. Un neutrone privo di carica elettrica è costituito da un quark con carica +2/3 e due quark con carica -1/3 Un protone con carica +1 è costituito da due quark con carica +2/3 e uno quark con una carica di -1/3. I quark con la stessa carica possono differire in altre proprietà, il che significa che esistono diversi tipi di quark con la stessa carica. Pertanto, varie combinazioni di quark consentono di descrivere tutte le particelle fortemente interagenti. Gell-Mann ha ricevuto il Premio Nobel per la Fisica nel 1969 "per le scoperte relative alla classificazione delle particelle elementari e alle loro interazioni". Ivar Waller della Royal Swedish Academy of Sciences, parlando alla cerimonia di premiazione, ha osservato che Gell-Mann "è considerato uno scienziato leader nel campo della teoria delle particelle elementari per più di un decennio". Secondo Waller, i metodi da lui proposti "sono tra i mezzi più potenti per ulteriori ricerche nella fisica delle particelle elementari". Autore: Samin D.K.
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