Particelle (quello che ho capito io)

by Robo

Parliamo di particelle elementari. Siccome non vogliamo una semplice lista di nomi, proviamo a fare dei paragoni col mondo reale e con i rapporti tra le persone. Allora, su questa falsariga, pensiamo il mondo come fosse costituito da 2 grandi tipi di individui.
Il primo tipo é stanziale, e appena può, cioe' appena le condizioni di temperatura e pressione lo consentono, si ferma e mette su famiglia (i singles sono rari). Sono i Fermioni, i costituenti della materia e dei mattoni elementari della stessa, gli atomi.
Alcuni Fermioni, quelli detti Barioni, costituiscono agglomerati assimilabili a famiglie allargate, un po' come nella comuni degli anni '70 del secolo scorso dove c'erano tanti padri e tante madri: sono i nuclei atomici "abitati" da padri Protoni e mamme Neutrone. Nel nostro caso però non gira molta Maria e i babbi non si amano per nulla, anzi, si detestano vicendevolmente, e riescono a sopportarsi solo se ci sono mamme in quantità sufficiente; senza esagerare, peró, con la presenza femminile, senno' non va bene di nuovo (forse varrebbe anche per comunità umane, é questione di delicati equilibri).
Più la famiglia si ingrossa, più le mamme devono sopravanzare come numero i coniugi, altrimenti il menage diviene presto instabile e si spezza in gruppi più piccoli. Alcune comuni che si chiamano Plutonio, Uranio 235, e così via sono così grandi che é solo questione di tempo prima che si rompano, nonostante il gran numero di mamme pacificatrici, comunque sempre insufficienti.

Quando il nucleo "familiare" é tranquillo (la temperatura è sufficientemente bassa), i babbi Protoni si guardano intorno e, non potendo riprodursi, cominciano ad essere preda di una voglia di paternità surrogata. Allora, come incrociano i piccoli Elettroni negativi vaganti, li attraggono e li catturano, ponendoli in orbite prestabilite entro le quali si instaurano regole ferree.
Ad esempio : per una data orbita non più di 2 fratellini Elettroni, che, respingendosi l'un l'altro non possono toccarsi, gelosi come sono dell'amore dei genitori.
Le madri Neutrone in realtà sono un po' algide, a loro non importa nulla, pensano solo a tener calmi i tanti mariti ma chiariscono una cosa, sarà accettato un piccolo trovatello a marito, non uno di più. Ci tengono alla neutralità (elettrica)
È vero peró che le famiglie non sono tutte uguali: in alcune i trovatelli più esterni hanno un legame cosi' tenue, che possono essere carpiti da altre con attitudini di cura parentale molto più spiccate.
Si formano così gli ioni. Talora i figli contesi restano in contatto con entrambi i gruppi familiari che portano avanti un'educazione condivisa, ma non sempre. Altre volte, infatti, i contendenti si dividono e restano ioni positivi e negativi vaganti; questo accade spesso in acqua, anche per il comune sale da cucina che è composto da famiglie Sodio e famiglie Cloro, unite finché non vengono solubilizzate per salare i cibi di cui ci nutriamo.
Tra i Fermioni ci sono i già visti Barioni (papà Protone e mamma Neutrone), i Leptoni, (tra i quali si annoverano il figlio adottivo Elettrone e un altro di cui parleremo: la pecora nera della famiglia, il Neutrino) ed altri zii e parenti con nomi strani (mesoni, iperoni) di cui non ci occupiamo.

Poi c'é la seconda risma di individui: i messaggeri, i postini universali.
Chiamiamoli subito col loro nome: sono i Bosoni.
Mi raccomando con la "o", non con la "u";-).
Loro non formano quasi mai gruppi stabili, possono pestarsi i piedi l'un l'altro ed anzi lo fanno spesso, e il loro principale lavoro è passare da un Fermione ad un'altro comunicando qualcosa all'orecchio del ricevente, un messaggio lanciato dal mandante, talora dall'altra parte dell'universo
Quest'ultimo aspetto, in particolare, vale per i Fotoni, i costituenti dellla luce: quella che da forma ai colori, le onde radio, i raggi X, etc.
I Fotoni sono ovunque, sono le parole con cui i padri adottivi Protoni comunicano amore per i figli adottivi Elettroni o si urlano addosso l'un l'altro "Stai lontano da me!". Altro messaggio tipo é "mi sento fortemente attratto dalla tua carica elettrica, baby!".
Le madri Neutrone non ascoltano queste parole, con loro serve un lessico particolare, come vedremo... ('ste donne!).
I Fotoni sono tanti, di tanti tipi: ci sono quelli torpidi come le onde radio che passano attraverso la materia quasi senza interagire con essa finché non trovano un'antenna adeguata, e quelli frenetici come la luce ultravioletta, i raggi X e Gamma. Fotoni liberi come questi ultimi sono dei pericolosi disturbatori della tranquillità familiare : se arrivano vicino ad un Elettrone che ruota placido attorno ai suoi genitori lo convincono spesso a partire, a lasciare il nido familiare per sempre ("giovane elettrone, emancipati dalla soffocante tutela dei padri protoni, fuggi da da questo atomo, esplora il mondo!"). I fotoni portano anche il tipo di energia che si converte in calore giungendo ad atomi e molecole e le fa vibrare come in un corso di danza latino-americana.

In generale gli atomi somigliano più a famiglie nordiche (più di larghe vedute riguardo la permanenza della prole in seno alla famiglia), che mediterranee (con tutt'altra visione della durata delle cure parenterali).
Le famiglie atomo molto spesso si uniscono in molecole. Queste sono come piccole comunità che richiedono uno sforzo fondante iniziale, l'energia di attivazione.
Il paragone piu' esemplificativo e' quello del condominio: c'é un costo iniziale per viverci (comprare l'appartamento, equivalente dell'energia di attivazione) ma poi rispetto a vivere in case singole si spende molto meno per tutte le spese comuni, cioè l'energia totale del sistema é più bassa. Esistono anche molecole che sono invece come quegli stabili in cui non si va d'accordo su nulla, l'amministratore ruba e i vicini disturbano: tra costi diretti ed indiretti non conviene più starci ma andarsene, una volta che ci é stabiliti, ha un costo (sempre l'energia di attivazione).

Il secondo Bosone è più peculiare e si chiama Gluone, e agisce in un unico modo : attraendo.
Partiamo da lontano. Per il figlio  adottivo Elettrone, sarebbe una sorpresa incredibile scoprire che entrambi i genitori non sono quello che sembrano.
Immaginate ad esempio di spiare vostro padre che sta preparandosi per fare il bagno : si toglie l'accappatoio, e scoprite che in realtà e' costituito da 3 nani (due uguali tra loro con i baffi e uno diverso, col rossetto) posti uno sopra l'altro.
Non potete credere ai vostri occhi!
Vostro padre, l'unico in famiglia che esercita una amorevole attrazione verso di voi, é triplo! Guardando bene vedete che i 3 nani hanno colori diversi: uno è verde, uno rosso e uno blu.
Da una certa distanza quindi il babbo pare bianco ma da vicino, ora che non c'è più l'accappatoio osservate che i nani si scambiano il colore (i gluoni) vicendevolmente, facendo sì che la combinazione finale rispetti la regola del bianco: sono le "cariche di colore".
Avremmo potuto chiamarle in altro modo, tipo sghiribizz, bubi e bagnacauda, ma alla fine babbo Protone e mamma Neutrona devono essere in un particolare stato che chiamiamo "bianco". L'unica differenza è che il babbo Protone è composto da 2 nani coi baffi ed una nana col rossetto mentre mamma da due nane imbellettate ed uno con i baffi. Nani e nane sono i quark Up e Down; ci sono anche babbi e mamme strani che hanno almeno un nano portatore di stranezza (quark Strange) ma durano poco e rinsaviscono presto, ed allora possono metter su famiglia nei nuclei atomici. La verità é che, a differenza dei figli elettroni, i genitori adottivi del nucleo sono composti e, mischiando in numero e varietà i nani colorati, come fossero dei lego, si possono costruire un mucchio di particelle (poche peró longeve abbastanza da costruire la materia).
Ok, ma cosa c'entrano i gluoni con l'amorevole attrazione tra genitori nel nucleo? Un effetto collaterale del confinamento gluonico é che padri e madri si scambiano coppie di nani (anche qui vale la regola del bianco, mantenuta in modo più originale dato che sono coinvolti anti-nani ciano, magenta o giallo) e questo scambio continuo di nani colorati cementifica l'unione protoni-neutrone rendendolo difficilmente separabile (vedi filmato) anche se nelle bombe a fissione si consumano divorzi lampo...

Poi ci sono, anzi ci sarebbero, i Gravitoni. Mai visti, da nessuno. La gravità di Einstein non pare averne bisogno, eppure, dice qualcuno, devono esserci. Ma se esistono, sono come un debolissimo brusio di fondo. Nessuna particella pare esserne turbata, ma visto che sono così numerosi ed emessi da ogni forma di materia, la loro forza è il numero, ed e' tale da riuscire a plasmare l'universo. Le stelle bruciano perché il flusso gravitazionale le costringe in una morsa che ne aumenta la temperatura, fino a che i singol(i) Idrogeni sono forzati a formare famiglie di Elio (2 protoni e 2 neutrone) e così via.
Nelle stelle si celebrano matrimoni sempre più sontuosi fino a giungere alla famiglia Ferro 56. É molto stabile, eterna direi. Non si spezza e si allarga con estrema difficoltà, ma fa esplodere le supernove... I pianeti girano attorno alle stelle perchè lo scambio di Gravitoni esercita un effetto attrattivo e li mantiene in orbita.
È come se le particelle fossero ad un rave-party : prese singolarmente non sarebbero attratte da quella musica frastornante, ma quando sono in gruppo, la legge dell'emulazione le trascina tutte nella stessa direzione.
Poi ci sono i "sussurratori" della forza nucleare debole.
Sì, sussurratori.
Perché se un fotone é un grido che può attraversare l'universo, questi bosoni agiscono a brevissima distanza. Sono peró portatori di una formidabile forza mesmerica : se raggiungono l'orecchio di un Protone possono convincerlo a cambiar sesso in un amen, e diventare una Neutrona e viceversa.
Sono dei rovina famiglie ma, a loro parziale discolpa, agiscono per lo più in quelle grandi comuni instabili di cui abbiamo già parlato.
Ma non sono solo dei loschi figuri da evitare.
Ad esempio :
se la terra ha un nucleo caldo di ferro che crea la dinamo planetaria che ci protegge dal vento solare, e in definitiva consente la vita, é perché i bosoni della forza debole mediano i decadimenti radioattivi che hanno contribuito a scaldare il nucleo e a fonderlo (non é il solo meccanismo ma il più rilevante), nei nuclei stellari le caldaie nucleari funzionano anche perché i sussurratori sono in perenne azione,
il sole ci riscalda perché ci sono loro : i mediatori della forza nucleare debole.
E' arrivato il momento di soffermarci sul fermione-pecora nera : il Neutrino.
Il neutrino non ascolta nessuno, vaga per il cosmo in uno stato psicotico, oscillando tra varie identità in preda ad una totale schizofrenia. Non bada alla materia, ai fotoni, ai gluoni. Risponde solo alla forza nucleare debole. Punto.

L'ultimo arrivato è il Bosone di Higgs.
Ci sono voluti quasi 60 anni ma alla fine l'abbiamo "visto", più o meno dove ci aspettavamo.
É il motivatore per antonomasia.
Lui urla a tutto ció che gli passa vicino : "Tu vali! Tu esisti!". Così facendo, permette ai fermioni e bosoni di acquisire consapevolezza, piu' prosaicamente una massa. Più o meno elevata, a seconda della loro attitudine. Si avrà così che il gradasso quark Top si sente un gigante e lo sfuggente neutrino quasi non ci fa caso.

  Ok, abbiamo citato tutti? Bé più o meno. Ci sono varie combinazioni dai nomi esotici, ma hanno una vita media che non supera frazioni di secondo, sono instabili e decadono in altre particelle piu comuni.
Forse esistono tetraquark e pentaquark (anch'essi candidi), ma limitandoci ai pilastri fondamentali, il quadro sarebbe completo

Resta fuori la materia oscura, se esiste. Essa é la materia di cui sono costituiti i fantasmi.
Se l'universo é un castello, allora lo immaginiamo infestato di particelle di materia oscura che non riusciamo a vedere con nessun metodo a nostra disposizione. É un po' diverso che essere semplicemente scuri, perché ad es. le fredde ed invisibili nubi di idrogeno atomico le percepiamo perché emetono un caratteristico segnale in banda radio a 21 cm, lassi fotoni che non vediamo con i nostri occhi ma percepiamo con apposite apparecchiature. La materia oscura non emette nulla verso nessuno, nella diluizione cosmica é quindi praticamente isolata.
Noi ci muoviamo tra le stanze di questo castello, e troviamo i mobili spostati senza alcun rumore, nessuna traccia visibile che ne identifichi le cause. Sappiamo che non è entrato nessuno e visto che i nostri figli li abbiamo storditi ad ansiolitici ;-) siamo sicuri che non sono loro i responsabili, e quindi dobbiamo per forza ipotizzare l'opera di fantasmi.
Il primo mobile spostato é la rotazione delle galassie: contando la materia luminosa e le nubi di gas rilevate più o meno direttamente, la velocità di rotazione delle stelle periferiche dovrebbe smembrare i bracci delle galassie spirali. Così non é, quindi deve esserci più massa, molta più massa che non abbiamo modo di rilevare se non per gli effetti gravitazionali. Il secondo mobile spostato é l'universo stesso : esso e' così vuoto che senza questa materia ulteriore non si sarebbe addensato in galassie (dice chi ne sa). Il terzo mobile spostato sono i superammassi :  le galassie non cadrebbero così velocemente verso il centro di gravità se non ci fosse massa ulteriore non rilevabile. Insomma la materia oscura ce vole! Ma questi fantasmi di che son fatti?
Magari son più di un tipo,  in parte pianeti e nane brune (stelle mancate), ma pare non bastino, come non basterebbero gli psicotici neutrini.

Altri ipotetici spettri cosmici sono gli Assioni, scaturiti dal risultato di alcune  equazioni, e forse partoriti in gran numero durante il Big Bang, ma mai realmente visti...
Probabilmente solo una leggenda metropolitana creata da un'astrusa matematica.
Oppure i supposti ed evanescenti neutrini sterili, ancor più inerti dei loro congeneri sinistrorsi, e talmente sfuggenti da non essere anch'essi mai stati osservati.

Un altro gruppo di fantasmi sarebbero le WIMP, grosse particelle lente, torpide e pesanti la cui possibile presenza risulta da elaborazioni che espandono simmetrie già consolidate ma supposte incomplete del Modello Standard: un costrutto matematico di cui riesco solo ad intuire la complessità ma che ha portato a prevedere l'esistenza di particelle che poi furono effettivamente trovate negli acceleratori, e a me già questo pare un miracolo. Si, é proprio così, gruppi di persone hanno utilizzato sistemi matematici per descrivere la realtà. Hanno fatto corrispondere alcune particelle a certi stati individuati dalle formule ma approfondendo i calcoli risultava che altro doveva esistere e in effetti é stato così.
Una delle versioni più leggere delle WIMP, il Neutralino cadrebbe a fagiolo per il ruolo di fantasmino cosmico perchè non interagendo con nulla, non invierebbe segnali di sé a parte quelli gravitazionali e sarebbe sufficientemente pesante (posto che esista realmente) per spiegare il mistero della massa mancante che tanto ci affligge.

Ma dove li cerchiamo questi fantasmi? Soprattutto negli acceleratori, e la Ferrari di questi ultimi si chiama LHC: uno dei più grandi sforzi tecnologici sinora fatti dall'uomo. Si estende sotto il suolo al confine tra Svizzera e Francia e produce fasci di particelle collimate che vengono accellerate quasi alla velocità della luce e fatte scontrare le une contro le altre: BUUMM!!! Nel brodo ultracaldo che ne risulta si cercano tracce degli individui esotici tra le particelle.

É come se, per cercare un supersoldato in mezzo ad una folla quieta, noi lo provocassimo pressando tutti, a gran forza, contro un muro, e come se, dall'energia sprigionata delle grida feroci e dai lamenti altissimi, scaturisse, che so?, un Wolverine... un Superman: cose che, di norma, non esistono.
Le attuali teorie sulle particelle si basano, infatti, sul presupposto che avvengano rotture di simmetrie in funzione dello stato energetico del sistema. Se un muratore e un industriale corrono una maratona sono indistinguibili : vestiti nello stesso modo, corrono nello stesso modo, arrivano al traguardo senza che, da fuori, si possa evincere una sostanziale differenza di status tra i due. E' la velocità a renderli simili. Nel lavoro di tutti i giorni, peró, uno si mette un lindo completo in giacca e cravatta, l'altro una tutta usata e sdrucita: la velocità ridotta ha rotto la simmetria.
Un ruolo fondamentale in tal senso l'avrebbe il bosone dei bosoni, l'Higgs, il distributore delle masse, che "decide" chi diviene cosa e chi altro, quando cala l'energia. É una sorta di stylist fondamentale che fornisce le mises a muratori e industriali quando smettono di correre. Con gli acceleratori si tenta di ripristinare i livelli energetici nei quali far riemergere la fu-simmetria, si tenta di organizzare una maratona per le particelle, e si sta a guardare che ne esce. Inoltre sono anche macchine del tempo perchè si riescono ad ottenere densità di energia che esistevano solo nei primi istanti di vita dell'universo. Si suppone che in quegli istanti non si fosse ancora rotta alcuna simmetria e le quattro forze fondamentali (elettromagnetica mediata dai fotoni, nucleare forte dei gluoni, nucleare debole e gravità) fossero indistinguibili e portate da postini indistinguibili.

Ma scavando ad energie ancora più alte si spera ad un certo punto di ritrovare un'era del passato, subito dopo il Big Bang nella quale addirittura fermioni, quindi la materia, e bosoni, quindi i messaggeri (e l'energia) erano nella stessa forma. Proseguendo nelle similitudini di prima è come se fosse esistita un'età del mito nella quale le persone stesse e i significati portati dalle loro parole si confondevano.
Come se un tempo, tanto tempo fa, la sostanza fosse significato ed il Verbo avesse il potere di creare...