Ancora buone notizie giungono dal mondo della fisica, infatti sulla famosa rivista Nature è da poco stato pubblicato un risultato che svela un mistero che era oggetto di ricerca da oltre 35 anni, e riguarda i costituenti della materia.

La nascita dei quarks

Procedendo per ordine: l’atomo, considerato il costituente ultimo della materia per un po’ di anni nell’antichità, è composto da un elettrone legato ad un nucleo. In quest’ultimo troviamo i protoni e i neutroni come costituenti del nucleo stesso e andando più a fondo, nei costituenti della materia, ci sono i quark. Secondo il modello a quarks, fin’ora il modello più accreditato che meglio spiega il comportamento delle particelle subatomiche, i protoni e i neutroni sono costituiti da particelle elementari chiamate appunto quarks.
Questo modello prende vita con diversi studi, in particolare nasce nel 1964 dai fisici  George Zweig e Murray Gell-Mann, e fu quest’ultimo a dare il nome di quarks alle nuove particelle elementari. Sono curiose le circostanze in cui questo avvenne, infatti il nome quark deriva da un libro che Gell-Mann stava leggendo: La voglia di Finnegan, di James Joyce. In un passo di questo libro si può leggere:

Three quarks for Muster Mark!
Sure he hasn’t got much of a bark
And sure any he has it’s all beside the mark

e lo stesso Gell-Mann giustifica la scelta dicendo che la parola “three” seguita da quarks, che sarebbe dovuta essere “quarts”, si incastra bene nel contesto proprio come accade in natura per i quarks.

Gell-Mann (a sinistra) e Zweig (a destra) (fonte; http://nerdruid.com).

Le motivazioni dell’esperimento

I quark sono delle particelle fermioniche e quindi hanno spin 1/2, e in generale possono avere carica elettrica +2/3 o -1/3. Il primo di questi è chiamato quark up (u), mentre il secondo quark down (d). Ma questi non sono gli unici, esistono infatti diversi tipi di quarks: quark up, down, strange, charm, top e bottom. Ma secondo questo modello se si considerano protoni e neutroni avremo a che fare solo con quark up e down. Quindi, uno stato in cui i quarks sono legati tra di loro formano, ad esempio protoni e neutroni. Il protone è formato da uno stato legato ‘uud’, cioè da due quark up e uno down. Il neutrone, similmente è formato da uno stato ‘udd’. In questa configurazione si nota che i quarks che costituiscono i protoni e i neutroni si comportano in maniera diversa a seconda che questi ultimi si trovano in uno stato libero oppure legati ad un atomo. Questo è il punto fondamentale della questione che ha portato i ricercatori negli Stati Uniti, a condurre un esperimento presso l’acceleratore Cebaf del Jefferson Laboratory che cercasse di trovare una spiegazione a quanto accennato. Nell’esperimento si trova un importante contributo italiano dato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn).

Rappresentazione del modello a quark (https://fineartamerica.com)

I risultati dello studio

Quello che pensiamo stia succedendo è che nelle coppie correlate si crei una forte sovrapposizione dei protoni e neutroni, il che dà ai quark al loro interno più spazio per muoversi e li porta a muoversi più lentamente“,

così il fisico Barak Schmookler della Stony-Brook University a New York, commenta l’esito dell’esperimento dando una spiegazione dello stesso. In altre parole, secondo il team di scienziati i quarks che compongono un protone o un neutrone si muovono al loro interno. Questi neutroni e protoni a loro volta andranno a formare quello che sarà il nucleo dell’atomo, e quando questo accade si parla di coppie correlate. Più coppie correlate ci sono nel nucleo di un atomo, più i quarks si muoveranno lentamente all’interno di esse. Questo è un dato controintuitivo della meccanica quantistica, infatti a sostegno di questo Alex Schmidt si esprime sostenendo che quando il volume di spazio che confina un oggetto in meccanica quantistica aumenta, allora il movimento di quest’ultimo rallenta e viceversa, in una relazione inversamente proporzionale. Ebbene secondo Schmidt i protoni e i neutroni si accoppiano momentaneamente per poi dividersi nuovamente, e questo fa sì che la ‘danza’ compiuta dalle particelle al loro interno avviene in uno spazio maggiore a loro disposizione.

Fedele Delveccchio

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