Particella elementare

In fisica, una particella elementare o fondamentale è una particella che non è fatta di altre particelle.

Una particella elementare può essere uno di due gruppi: un fermione o un bosone. I fermioni sono i mattoni della materia e hanno massa, mentre i bosoni si comportano come portatori di forza per le interazioni dei fermioni e alcuni di essi non hanno massa. Il Modello Standard è il modo più accettato per spiegare come si comportano le particelle e le forze che le influenzano. Secondo questo modello, le particelle elementari sono ulteriormente raggruppate in quark, leptoni e bosoni gauge, con il bosone di Higgs che ha uno status speciale come bosone non gauge.

Delle particelle che compongono un atomo, solo l'elettrone è una particella elementare. Protoni e neutroni sono costituiti ciascuno da 3 quark, il che li rende particelle composte, particelle che sono fatte di altre particelle. I quark sono legati insieme dai gluoni. Il nucleo ha campi di pione di bosoni responsabili della forte forza nucleare che lega protoni e neutroni contro la repulsione elettrostatica tra i protoni. Tali pioni virtuali sono composti da coppie di quark antiquark di nuovo tenute insieme dai gluoni.

Ci sono tre proprietà di base che descrivono una particella elementare: "massa", "carica" e "spin". Ad ogni proprietà viene assegnato un valore numerico. Per massa e carica il numero può essere zero. Per esempio, un fotone ha massa zero e un neutrino ha carica zero. Queste proprietà rimangono sempre le stesse per una particella elementare.

Messa: Una particella ha massa se richiede energia per aumentare la sua velocità, o per accelerarla. La tabella a destra dà la massa di ogni particella elementare. I valori sono dati in MeV/c2s (che si pronuncia megaelettronvolt su "c" al quadrato), cioè in unità di energia sulla velocità della luce al quadrato. Questo deriva dalla relatività speciale, che ci dice che l'energia è uguale alla massa per il quadrato della velocità della luce. Tutte le particelle con massa producono gravità. Tutte le particelle sono influenzate dalla gravità, anche quelle senza massa come il fotone (vedi relatività generale).
Carica elettrica: Le particelle possono avere carica positiva, o negativa, o nessuna. Se una particella ha una carica negativa e un'altra particella ha una carica positiva, le due particelle sono attratte l'una dall'altra. Se le due particelle hanno entrambe una carica negativa, o entrambe hanno una carica positiva, le due particelle vengono allontanate. A breve distanza, questa forza è molto più forte della forza di gravità che attira tutte le particelle. Un elettrone ha carica -1. Un protone ha carica +1. Un neutrone ha una carica media 0. I quark normali hanno una carica di ⅔ o -⅓.
Spin: Il momento angolare o rotazione costante di una particella ha un valore particolare, chiamato numero di spin. Lo spin per le particelle elementari è uno o ½. La proprietà di spin delle particelle denota solo la presenza di momento angolare. In realtà, le particelle non ruotano.

La massa e la carica sono proprietà che vediamo nella vita di tutti i giorni, perché la gravità e l'elettricità influenzano le cose che gli esseri umani vedono e toccano. Ma lo spin influisce solo sul mondo delle particelle subatomiche, quindi non può essere osservato direttamente.

Modello standard di particelle elementari. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x10-30 kg.

Fermions

I Fermioni (dal nome dello scienziato Enrico Fermi) hanno un numero di giri di ½, e sono quark o leptoni. Ci sono 12 diversi tipi di fermioni (senza antimateria). Ogni tipo è chiamato "sapore". I sapori sono:

Quark: su, giù, fascino, strano, sopra, sotto. I quark si presentano in tre coppie, chiamate "generazioni". La prima generazione (su e giù) è la più leggera e la terza (sopra e sotto) è la più pesante. Un membro di ogni coppia (su, charm e sopra) ha una carica di ⅔. L'altro membro (in basso, strano e in basso) ha la carica -⅓.
Leptoni: elettrone, muone, tau, neutrino elettronico, neutrino muonico, neutrino muonico, neutrino tau. I neutrini hanno carica 0, da cui il prefisso neutro. Gli altri leptoni hanno carica -1. Ogni neutrino prende il nome dal suo corrispondente leptone originale: l'elettrone, il muone e il tau.

Si pensa che sei dei 12 fermioni siano destinati a durare per sempre: i quark su e giù, l'elettrone e i tre tipi di neutrini (che cambiano costantemente sapore). Gli altri fermioni decadono. Cioè, si scompongono in altre particelle una frazione di secondo dopo la loro creazione. La statistica di Fermi-Dirac è una teoria che descrive come si comportano le collezioni di fermioni. In sostanza, non si può avere più di un fermione nello stesso posto nello stesso momento.

Bosoni

I bosoni, che prendono il nome dal fisico indiano Satyendra Nath Bose, hanno spin 1. Anche se la maggior parte dei bosoni sono fatti di più di una particella, ci sono due tipi di bosoni elementari:

Bosoni del calibro: gluoni, bosoni W+e W-, bosoni Z0 e fotoni. Questi bosoni portano 3 delle 4 forze fondamentali, e hanno un numero di giri di 1;

Gluon: I gluoni sono particelle senza massa e senza carica, e sono i portatori della forte interazione di forza. Essi, insieme ai quark, si uniscono per formare particelle composte chiamate adroni, che includono protoni e neutroni.
Bosoni W e Z: I bosoni W e Z sono particelle che portano la forza debole. Il bosone W ha una particella di materia (W+) e una particella di antimateria (W-), mentre il bosone Z è la sua antiparticella. Il bosone W è prodotto in decadimento beta, ma quasi immediatamente si trasforma in un neutrino e in un elettrone. Il bosone W e il bosone Z sono stati entrambi scoperti nel 1983.
Fotone: I fotoni sono particelle senza massa e senza carica che trasportano la forza elettromagnetica. I fotoni possono avere una certa frequenza che determina la loro radiazione elettromagnetica. Come tutte le altre particelle senza massa, viaggiano alla velocità della luce (300.000 km/s).

Bosone di Higgs: I fisici credono che le particelle massicce abbiano massa (cioè non sono puri fasci di energia come i fotoni) a causa dell'interazione di Higgs.

Il fotone e i gluoni non hanno carica, e sono le uniche particelle elementari che hanno una massa di 0 per certo. Il fotone è l'unico bosone che non si decompone. La statistica di Bose-Einstein è una teoria che descrive come si comportano le collezioni di bosoni. A differenza dei fermioni, è possibile avere più di un bosone nello stesso spazio nello stesso tempo.

Il Modello Standard comprende tutte le particelle elementari sopra descritte. Tutte queste particelle sono state osservate in laboratorio.

Il modello standard non parla di gravità. Se la gravità funziona come le altre tre forze fondamentali, allora la gravità è trasportata dall'ipotetico bosone chiamato gravitone. Il gravitone deve ancora essere trovato, quindi non è incluso nella tabella qui sopra.

Il primo fermione ad essere scoperto, e quello che conosciamo meglio, è l'elettrone. Il primo bosone ad essere scoperto, e anche quello che conosciamo di più, è il fotone. La teoria che più accuratamente spiega come l'elettrone, il fotone, l'elettromagnetismo e la radiazione elettromagnetica lavorano tutti insieme è chiamata elettrodinamica quantistica.

Domande e risposte

D: Cosa sono le particelle elementari?

R: Le particelle elementari sono particelle che non sono composte da altre particelle.

D: A quanti gruppi appartengono le particelle elementari?

R: Le particelle elementari possono appartenere a due gruppi, fermioni o bosoni.

D: Che cos'è il Modello Standard?

R: Il Modello Standard è il modo più accettato per spiegare il comportamento delle particelle e le forze che le influenzano.

D: Come sono raggruppate le particelle elementari secondo il Modello Standard?

R: Secondo il Modello Standard, le particelle elementari sono ulteriormente raggruppate in quark, leptoni e bosoni di gauge, con il bosone di Higgs che ha uno status speciale come bosone non di gauge.

D: I protoni e i neutroni sono considerati particelle elementari?

R: No, i protoni e i neutroni non sono considerati particelle elementari, perché sono costituiti ciascuno da 3 quark, il che li rende particelle composite, ossia costituite da altre particelle più piccole.

D: Quali proprietà descrivono una particella elementare?

R: Ci sono tre proprietà di base che descrivono una particella elementare - massa, carica e spin - a ciascuna proprietà viene assegnato un valore numerico.

D: La gravità influenza tutti i tipi di particelle, anche quelle senza massa come i fotoni?

R: Sì, tutti i tipi di particelle, comprese quelle senza massa come i fotoni, sperimentano la gravità grazie alla relatività generale.