Protoni e neutroni, le particelle che formano i nuclei degli atomi , potrebbero sembrare davvero minuscoli. Ma gli scienziati affermano che quelle stesse particelle subatomiche sono costituite da qualcosa di ancora più piccolo: particelle chiamate quark .
"Beh, penso che il modo più semplice per affermarlo sia che i quark sono il costituente fondamentale della materia, di tutte le cose che ci circondano", spiega Geoffrey West . È un fisico teorico che ha fondato il gruppo di fisica delle alte energie presso il Los Alamos National Laboratory e ora è Shannan Distinguished Professor al Santa Fe Institute . (È anche autore del bestseller del 2017 " Scale ", su come le leggi matematiche che governano la struttura e la crescita del mondo fisico si applicano alla vita biologica e alla società umana.)
Come gli elettroni e altri leptoni , i quark non sembrano avere alcuna struttura e sembrano essere indivisibili, come spiegato dal fisico delle particelle dell'Università di Melbourne Takaski Kubota in The Conversation.
I quark sono così piccoli che è sbalorditivo anche solo provare a esprimere la loro dimensione stimata. Jon Butterworth, professore di fisica dell'University College di Londra, ha spiegato che il raggio di un quark è circa 2.000 volte più piccolo di quello di un protone, che a sua volta è 2,4 trilioni di volte più piccolo di un granello di sabbia.
Esistenza dei quark proposta per la prima volta nel 1964
L'esistenza dei quark è stata proposta per la prima volta nel 1964 dal fisico teorico del California Institute of Technology Murray Gell-Mann , una delle figure chiave nello sviluppo del Modello Standard della fisica delle particelle. Gell-Mann, vincitore del Premio Nobel per la Fisica nel 1969 , ha capito che per spiegare le proprietà di protoni e neutroni è necessario che siano costituiti da particelle più piccole. Allo stesso tempo, anche un altro fisico CalTech, Georg Zweig , ha avuto l'idea in modo indipendente.
L'esistenza dei quark è stata confermata da esperimenti condotti dal 1967 al 1973 presso lo Stanford Linear Accelerator Center.
Una delle cose strane dei quark, come spiega West, è che possono essere osservati, ma non isolati. "C'è una sottile differenza", dice. "Sono come gli elettroni in quanto gli elettroni sono fondamentali, ma con gli elettroni possiamo osservarli e anche isolarli. Puoi indicare un elettrone. Con i quark, non puoi toglierne uno dal nucleo e metterlo sul tavolo e esaminarlo".
Invece, utilizzando giganteschi acceleratori di particelle, gli scienziati accelerano gli elettroni e li usano per sondare la profondità del nucleo. Se entrano abbastanza in profondità all'interno, gli elettroni si disperderanno dai quark , che possono essere misurati utilizzando rivelatori molto sofisticati. "Ricostruiamo ciò che c'è nel bersaglio di cui sono costituiti protoni e neutroni", afferma West. "Vedi questi piccoli oggetti puntiformi che identifichiamo come quark."
Esistono sei tipi di quark
I quark hanno cariche frazionarie rispetto ai protoni che formano. Esistono sei tipi di quark basati sulla massa e le particelle hanno anche una qualità chiamata colore, che descrive come la forza forte le tiene insieme. Il colore è trasportato dai gluoni , una sorta di messaggero della forte forza che lega insieme i quark. (Sono analoghi ai fotoni .)
Un team di fisici dell'Università del Kansas prevede di utilizzare un dispositivo installato presso il Large Hadron Collider , un enorme acceleratore di particelle situato in un tunnel di 17 miglia (27 chilometri) tra Francia e Svizzera, per studiare la forte interazione tra quark e gluoni.
"L'idea è di ottenere una migliore comprensione del protone e della struttura degli ioni pesanti, come ad esempio il piombo, e di studiare un nuovo fenomeno chiamato saturazione" , spiega Christophe Royon , professore di fisica dell'Università del Kansas che sta conducendo la ricerca in una e-mail. "Quando due protoni o due ioni si scontrano a un'energia molto elevata, siamo sensibili alla loro sottostruttura - quark e gluoni - e possiamo sondare alcune regioni in cui la densità dei gluoni diventa molto grande".
"Un'analogia sarebbe la metropolitana di New York nelle ore di punta, quando la metropolitana è completamente congestionata", continua Royon. "In tal caso, i gluoni non si comportano come identità singole ma possono mostrare comportamenti collettivi, allo stesso modo di una metropolitana affollata, se qualcuno cade, lo sentiranno tutti poiché le persone sono così vicine l'una all'altra. Ad un certo punto, il i protoni o gli ioni pesanti possono comportarsi come un oggetto solido, come un vetro, chiamato condensato di vetro colorato. Questo è ciò che vogliamo vedere all'LHC e anche al futuro Electron-Ion Collider negli Stati Uniti"
Royon afferma che trovare prove dell'esistenza di questo materiale denso di gluoni risponderebbe a una delle più grandi domande senza risposta sui quark. "Questo è un nuovo stato della materia", dice. "Alcuni suggerimenti sono già apparsi sul Relativistic Heavy Ion Collider o sul Large Hadron Collider, ma nulla è ancora certo. Sarebbe una scoperta importante e sia il Large Hadron Collider che il Electron-Ion Collider sono macchine ideali per vederlo".
Gli scienziati si chiedono anche se potrebbe esserci qualcosa di anche più piccolo di un quark. "Si pone la domanda, c'è ancora un altro livello?" dice Ovest. "Non sappiamo la risposta a questo."
Ora è interessante
Gell-Mann ha preso il nome della particella dal romanzo sperimentale di James Joyce del 1939 " Finnegans Wake ", che contiene la frase "Tre quark per Muster Mark!"
