Una serie vertiginosa di particelle, forze e campi determina la base subatomica di tutto ciò che vediamo.
Paul Sutter è un astrofisico presso la Ohio State University e il capo scienziato del centro scientifico COSI. Sutter è anche ospite di "Ask a Spaceman" e "Space Radio" e guida AstroTours in tutto il mondo. Sutter ha contribuito con questo articolo alle voci Expert di Space.com: Op-Ed & Insights.
Per visitare una terra davvero strana piena di meraviglia e mistero, non devi sgattaiolare attraverso un gabinetto magico, cavalcare una creatura volante che non dovrebbe essere in grado di volare o saltare incautamente attraverso un portale in un'altra dimensione. No, tutto quello che devi fare è aprire il tuo acceleratore di particelle e guardare in basso, in basso, in basso.
A livello subatomico, la vera varietà e lo splendore della natura è in piena mostra, con una serie vertiginosa di particelle, forze e campi che sfrecciano e si muovono attorno, governati da leggi della fisica quasi imperscrutabili. Eppure, in qualche modo, piuttosto che creare un caos caotico, tutte le loro interazioni complicate producono il mondo macroscopico regolare, ordinato, strutturato che conosciamo. [Strani quark e muoni, oh mio! Dissezione delle particelle più piccole della natura (infografica)]
Si può capire quel minuscolo mondo segregato in una rigida gerarchia, con linee chiare tra i sovrani e i governati, tra coloro che siedono comodamente nei loro castelli stabili e gli umili contadini che effettivamente svolgono il lavoro. Le interazioni tra i vari abitanti sono messe in pietra da regole immutabili: c'è un posto per tutti e ognuno ha un posto.
Vieni a trovarci.
È bello essere il re
Al centro di tutto ci sono le particelle stabili più massicce: i quark up e down. La loro longevità consente loro di unirsi in fortezze quasi inespugnabili: i castelli dei nucleoni noti come protoni e neutroni. Ma non sono i quark stessi a fare il lavoro di mantenimento di queste cittadelle nucleoniche. In effetti, la massa combinata di tutti i quark in un nucleone è molto più piccola della massa di un protone o neutrone.
Invece, i quark up e down sono impregnati di un'abilità speciale non nota alle altre particelle nel regno. Possono sentire la forte forza nucleare. Questa è di gran lunga la forza più potente, che unisce i quark così intensamente che uno solo non può mai essere visto da solo. Quell'interazione costituisce la spina dorsale invisibile del nostro mondo macroscopico. Diamo per scontati protoni e neutroni: ecco come costruiscono solidamente le loro mura del castello. E le loro masse sono principalmente dovute alla forza dei loro legami nucleari interni, piuttosto che ai singoli quark.
La forte forza nucleare non si ferma a livello di protoni e neutroni. La colla che lega insieme i quark, dando loro il dominio su tutte le altre particelle, è così dominante che può raccogliere alcuni di questi castelli insieme in una fortezza forte conosciuta come un nucleo atomico. Sebbene questa struttura non sia inespugnabile come i protoni e gli stessi neutroni, far cadere un nucleo richiede ancora un grande sforzo.
Eppure, nonostante tutto il loro potere prepotente, la portata della morsa simile ai quark è limitata al loro castello particolare e ai dintorni vicini. Questo perché la forza forte, nonostante tutta la sua forza, è fortemente limitata nel raggio d'azione. Questo è ciò che determina la dimensione delle fortezze, dei castelli e mantiene che ci identifichiamo come i nucleoni del nostro mondo. [7 strani fatti sui quark]
Lavorando i campi
Oltre quel raggio limitato, i quark tengono sotto controllo i loro domini e comunicano tra loro tramite i messaggeri reali - i fotoni. Quegli inviati dai piedi veloci saltano da un posto all'altro nell'universo, senza mai stancarsi, portando la forza elettromagnetica - elettricità, magnetismo e persino la luce stessa - a qualsiasi particella che abbia carica elettrica. Questa influenza si estende su tutto il cosmo, anche se ovviamente più si è lontani dalla fonte, più debole è l'effetto.
Questo legame elettromagnetico mantiene in linea i sottotitoli del mondo subatomico, e mentre i quark trascorrono le loro giornate al minimo nel comfort relativo del loro castello sicuro e appartato, i "contadini" oppressi - gli elettroni - fanno tutto il lavoro per fare le ricche variazioni di reazioni chimiche possibili. Esatto: sono i poveri, ignobili elettroni che schiavizzano i loro padroni di quark. Legato al nucleo dall'elettromagnetismo - ma di solito è impedito di entrare effettivamente dalle regole della meccanica quantistica - gli elettroni vengono scambiati tra gli atomi, dandoci la chimica che rende possibile quasi tutto ciò che riguarda la nostra vita quotidiana.
I quark al potere si scambieranno felicemente, ruberanno e prenderanno in prestito un umile elettrone da un dominio vicino, modellando i loro movimenti con un forte pungolo dei fotoni - senza preoccuparsi delle loro speranze, sogni o ambizioni individuali (scorrendo liberamente attraverso l'universo, avvolgendosi attorno al magnetico campi e così via).
In agguato nell'ombra
Ma non tutte le particelle nell'universo sono tenute sotto il pollice dei quark dispotici. Alcuni possono fluire liberamente in tutto l'universo, non avvertendo la forza forte e ignorando in modo sicuro i bagliori sgraziati di qualsiasi fotone che passa: i neutrini. Queste particelle spettrali possono nascondersi in bella vista, così effervescenti che per decenni abbiamo pensato che fossero completamente prive di massa.
I neutrini sono di tre tipi, l'elettrone-neutrino, il muone-neutrino e il tau-neutrino, ma sono così ben mascherati che non sei mai sicuro di quale stai vedendo. Mentre viaggiano, possono scorrere le maschere che indossano, cambiando identità con la facilità di una spia stagionata. Le loro maschere determinano il modo in cui (occasionalmente) interagiscono con il resto delle particelle nell'universo: un elettrone-neutrino parteciperà solo a reazioni che coinvolgono elettroni, per esempio.
Ma a causa della natura birichina dei neutrini, un processo che genera un particolare sapore di questa particella non può sempre essere eseguito al contrario per catturare di nuovo la varietà originale: si tratta di identità scambiate.
Tuttavia, nonostante tutti i loro trucchi e sotterfugi, i neutrini non sono immuni dall'influenza dei domini dei quark. Ma affinché si verifichi quel tipo di effetto, sono necessarie le forze speciali. Le particelle esperte chiamate bosoni W e Z, portatori della debole forza nucleare, sono le uniche in grado di comunicare con i neutrini malvagi. In alcuni casi, i bosoni riescono a convertire i neutrini in creature più conformi, come gli elettroni.
Anche allora, è un'occasione fortunata: il più delle volte, i neutrini subdoli scappano liberi.
Ma il set di abilità di quei bosoni W e Z, i combattenti segreti del black-op del mondo delle particelle, si estende oltre il raro incontro di neutrini. Hanno anche un accesso quasi esclusivo al santuario interno della fortezza dei nucleoni e possono cambiare un tipo di quark in un altro. Se un neutrone fuggisse dalla sicurezza di un nucleo atomico, questi bosoni speciali possono trasformare quella particella in un protone più stabile.
Fuori dal regno
Naturalmente, questo non fornisce il quadro completo del mondo subatomico. L'intero Modello Standard, il nostro ritratto di quelle minuscole creature e tutte le loro interazioni di corpi indaffarati è molto più grande e più complesso di quanto possa essere contenuto in alcuni paragrafi. E sebbene il Modello Standard sia un trionfo della fisica moderna, rattoppato dolorosamente nel corso di decenni, con previsioni esatte e sperimentazione precisa, è anche un'immagine incompleta del nostro mondo.
Per uno, non include la gravità, che in questo momento è meglio descritta dalla teoria della relatività generale anche incompleta. Ci sono anche le persistenti domande cosmologiche sulla natura della materia oscura e dell'energia oscura, su cui il modello standard tradizionale tace (perché quei fenomeni sono stati scoperti solo di recente). C'è di più: la massa del neutrino, la gerarchia delle forze e così via.
Ma sebbene lungi dall'essere completo, e forse un po 'insoddisfacente nel suo approccio alla gomma da masticare e nastro adesivo per modellare il mondo fisico, il Modello Standard è incredibilmente utile. Può prevedere con sorprendente precisione i movimenti e i movimenti di quegli abitanti subatomici e tutti i loro malvagi schemi.
Scopri di più ascoltando l'episodio "Who Lives in the Particle Zoo?" sul podcast "Chiedi a un astronauta", disponibile su iTunes e sul Web all'indirizzo http://www.askaspaceman.com. Grazie ad Alessandro M., Roger, Martin N., Daniel C. e @PoZokhr per le domande che hanno portato a questo pezzo! Poni la tua domanda su Twitter usando #AskASpaceman o seguendo Paul @PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter.
