Quark

Un quark ( ) rappresenta una particella elementare e un costituente fondamentale della materia. I quark si combinano per formare particelle composite conosciute come adroni, di cui protoni e neutroni, i componenti primari dei nuclei atomici, ne sono gli esempi più stabili. La materia osservabile comprende universalmente quark up, quark down ed elettroni. A causa del fenomeno del confinamento del colore, i quark non vengono mai osservati isolatamente; invece, esistono esclusivamente all'interno degli adroni, comprendendo barioni (ad esempio, protoni e neutroni) e mesoni, o all'interno di plasmi di quark e gluoni. Di conseguenza, una parte significativa della nostra comprensione dei quark deriva dall'osservazione degli adroni.

Un quark ( ) è un tipo di particella elementare e un costituente fondamentale della materia. I quark si combinano per formare particelle composite chiamate adroni, i più stabili dei quali sono protoni e neutroni, i componenti dei nuclei atomici. Tutta la materia comunemente osservabile è composta da quark up, quark down ed elettroni. A causa di un fenomeno noto come confinamento del colore, i quark non si trovano mai isolati; possono essere trovati solo all'interno degli adroni, che includono barioni (come protoni e neutroni) e mesoni, o nei plasmi di quark e gluoni. Per questo motivo, gran parte di ciò che sappiamo sui quark è stato tratto dalle osservazioni degli adroni.

I quark possiedono diverse proprietà intrinseche, tra cui carica elettrica, massa, carica di colore e spin. All'interno del Modello Standard della fisica delle particelle, i quark sono gli unici tra le particelle elementari a sperimentare tutte e quattro le interazioni fondamentali, chiamate anche forze fondamentali (elettromagnetismo, gravitazione, interazione forte e interazione debole). Inoltre, sono le uniche particelle conosciute le cui cariche elettriche non sono multipli interi della carica elementare.

Esistono sei tipi distinti, o sapori, di quark: up, down, charm, strange, top e bottom. Tra tutti i quark, i quark up e down presentano le masse più basse. I quark più pesanti subiscono una rapida trasformazione in quark up e down attraverso il decadimento delle particelle, un processo che comporta la transizione da uno stato di massa superiore a uno stato di massa inferiore. Di conseguenza, i quark up e down sono generalmente stabili e costituiscono i tipi di quark più diffusi nell’universo, mentre i quark strange, charm, bottom e top vengono generati esclusivamente in collisioni ad alta energia, come quelle che si verificano con i raggi cosmici o all’interno degli acceleratori di particelle. Ogni sapore di quark possiede un'antiparticella corrispondente, chiamata antiquark, che differisce dalla sua controparte di quark unicamente per il fatto che alcune proprietà (ad esempio, la carica elettrica) mostrano uguale grandezza ma segno opposto.

Il modello dei quark fu proposto indipendentemente dai fisici Murray Gell-Mann e George Zweig nel 1964. Inizialmente, i quark furono introdotti come componenti di uno schema di ordinamento per gli adroni, con prove empiriche limitate per la loro esistenza fisica fino a quando nel 1968 furono condotti esperimenti di diffusione anelastica profonda presso lo Stanford Linear Accelerator Center. Successivi esperimenti con l'acceleratore hanno fornito prove corroboranti per tutti e sei i sapori. Il quark top, inizialmente osservato al Fermilab nel 1995, ha rappresentato il sapore finale da scoprire.

Classificazione

Il Modello Standard funge da quadro teorico che descrive tutte le particelle elementari conosciute. Questo modello incorpora sei sapori di quark (q): su (u), giù (d), strano (s), fascino (c), inferiore (b) e superiore (t). Le antiparticelle quark sono designate come antiquark e sono simboleggiate da una barra posta sopra il simbolo del quark corrispondente, ad esempio u per un antiquark up. Coerentemente con i principi dell'antimateria, gli antiquark possiedono massa, durata media e rotazione identici a quelli delle rispettive controparti quark, ma le loro cariche elettriche e di altro tipo mostrano un segno opposto.

I quark sono particelle di spin-⁠§23§/§67§⁠, classificandoli come fermioni in accordo con il teorema di spin-statistica. Aderiscono al principio di esclusione di Pauli, secondo il quale due fermioni identici non possono occupare contemporaneamente lo stesso stato quantistico. Ciò contrasta con i bosoni (particelle che possiedono spin intero), dove un numero arbitrario può occupare lo stesso stato. A differenza dei leptoni, i quark possiedono una carica di colore, che media il loro coinvolgimento nell’interazione forte. L'attrazione risultante tra quark distinti porta alla formazione di particelle composite note come adroni.

I numeri quantici degli adroni sono determinati dai quark di valenza; tuttavia, gli adroni possono anche contenere una quantità indeterminata di quark, antiquark e gluoni virtuali, nessuno dei quali influenza questi numeri quantici. Gli adroni sono classificati in due famiglie: i barioni, composti da tre quark di valenza, e i mesoni, costituiti da un quark di valenza e un antiquark. Protoni e neutroni, costituenti fondamentali dei nuclei atomici, rappresentano i barioni più diffusi. Sono stati identificati numerosi adroni, distinti principalmente dalla loro specifica composizione di quark e dalle proprietà intrinseche che questi quark costituenti impartiscono. Il quadro teorico del modello a quark inizialmente postulava l'esistenza di adroni "esotici" contenenti quark di valenza aggiuntivi, come i tetraquark (qqqq) e i pentaquark (qqqqq); tuttavia, la loro scoperta empirica non è avvenuta fino all'inizio del 21° secolo.

I fermioni elementari sono classificati in tre generazioni distinte, ciascuna delle quali composta da due leptoni e due quark. La prima generazione comprende i quark up e down, la seconda comprende i quark strange e charm, e la terza comprende i quark bottom e top. Indagini approfondite per una quarta generazione di quark e altri fermioni elementari non hanno prodotto risultati positivi, con sostanziali prove indirette che indicano l'esistenza di esattamente tre generazioni. Le particelle appartenenti alle generazioni superiori mostrano tipicamente una massa maggiore e una stabilità ridotta, portando al loro decadimento in particelle di generazione inferiore attraverso interazioni deboli. Negli ambienti naturali si osservano comunemente solo i quark di prima generazione (up e down). I quark più pesanti vengono prodotti esclusivamente in collisioni ad alta energia, come quelle che coinvolgono i raggi cosmici, e subiscono un rapido decadimento. Tuttavia, si teorizza che fossero prevalenti durante le prime frazioni di secondo successive al Big Bang, quando l'universo esisteva in uno stato eccezionalmente caldo e denso, noto come epoca dei quark. La ricerca che coinvolge i quark più pesanti viene condotta in condizioni controllate e generate artificialmente, tipicamente all'interno di acceleratori di particelle.

I quark, possedendo carica elettrica, massa, carica di colore e sapore, sono unici tra le particelle elementari conosciute per partecipare a tutte e quattro le interazioni fondamentali della fisica moderna: elettromagnetismo, gravitazione, interazione forte e interazione debole. L'influenza della gravitazione sulle interazioni delle singole particelle è trascurabile, diventando significativa solo a livelli energetici estremi (energia di Planck) e scale spaziali (distanza di Planck). Di conseguenza, a causa dell'assenza di una teoria quantistica della gravità di successo, il Modello Standard non comprende una descrizione della gravitazione.

Storia

Storia

Nel 1964, i fisici Murray Gell-Mann e George Zweig introdussero indipendentemente il modello a quark. Questa proposta seguì lo sviluppo di Gell-Mann nel 1961 di un sistema di classificazione delle particelle, chiamato Ottuplice Via, o più tecnicamente, simmetria del sapore SU(3), che razionalizzò significativamente la struttura delle particelle. Allo stesso tempo, il fisico Yuval Ne'eman ideò indipendentemente uno schema di classificazione analogo all'Ottuplice Via. Il modello Sakata rappresentava un precedente tentativo di organizzare i costituenti fondamentali.

Durante la formulazione iniziale della teoria dei quark, lo "zoo delle particelle" comprendeva una vasta gamma di adroni e altre particelle subatomiche. Gell-Mann e Zweig ipotizzarono che queste particelle non fossero elementari ma piuttosto strutture composite formate da combinazioni di quark e antiquark. Il modello proposto incorporava tre sapori di quark – su, giù e strano – assegnando loro proprietà specifiche come lo spin e la carica elettrica. L'accoglienza iniziale di questa proposta da parte della comunità dei fisici è stata varia. Sorse un dibattito significativo sulla questione se i quark rappresentassero entità fisiche reali o semplici astrazioni concettuali utilizzate per chiarire fenomeni che allora non erano stati completamente compresi.

Entro un anno furono apportate modifiche ed estensioni al modello Gell-Mann-Zweig. Sheldon Glashow e James Bjorken ipotizzarono l'esistenza di un quarto sapore di quark, che designarono come charm. Questa aggiunta proposta offriva diversi vantaggi: forniva una spiegazione più completa dell'interazione debole (il processo che consente il decadimento dei quark), stabiliva la parità tra il numero di quark conosciuti e quelli di leptoni conosciuti e produceva una formula di massa che prevedeva accuratamente le masse dei mesoni osservati.

Esperimenti di diffusione anelastica profonda condotti nel 1968 presso lo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) e pubblicati il 20 ottobre 1969, hanno rivelato che i protoni non erano particelle elementari ma piuttosto composti da costituenti puntiformi molto più piccoli. Inizialmente, i fisici esitarono a classificare definitivamente queste entità come quark, adottando invece il termine “partoni”, coniato da Richard Feynman. Questi costituenti, osservati per la prima volta allo SLAC, sono stati successivamente identificati come quark up e down in seguito alla scoperta di ulteriori sapori di quark. Il termine "parton" persiste come designazione collettiva per i componenti fondamentali degli adroni, compresi quark, antiquark e gluoni. Richard Taylor, Henry Kendall e Jerome Friedman hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica nel 1990 per la loro ricerca pionieristica condotta presso SLAC.

L'esistenza del quark strano ha ricevuto una conferma indiretta dagli esperimenti di scattering condotti allo SLAC. Questo quark non era solo un elemento essenziale del modello a tre quark di Gell-Mann e Zweig, ma offriva anche una base teorica per gli adroni kaone (K) e pione (π), che erano stati identificati nei raggi cosmici nel 1947.

In una pubblicazione del 1970, Glashow, John Iliopoulos e Luciano Maiani introdussero il meccanismo GIM, un acronimo derivato dai loro cognomi, per spiegare l'assenza sperimentale di correnti neutre che cambiano sapore. Questo quadro teorico richiedeva la presenza del quark charm allora sconosciuto. Il numero ipotizzato di sapori di quark si espanse fino agli attuali sei nel 1973, quando Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa proposero che la violazione CP osservata poteva essere chiarita dall'esistenza di un'ulteriore coppia di quark.

I quark charm furono generati quasi contemporaneamente da due gruppi di ricerca indipendenti nel novembre 1974: uno allo SLAC, guidato da Burton Richter, e un altro al Brookhaven National Laboratory, sotto la direzione di Samuel Ting. Questi quark charm sono stati rilevati in stati legati con antiquark charm all'interno dei mesoni. Inizialmente, i due team che hanno collaborato hanno designato il mesone appena scoperto con simboli distinti, J e ψ, portando alla sua nomenclatura formale come mesone J/ψ. Questa scoperta fondamentale consolidò infine l'accettazione da parte della comunità scientifica della veridicità del modello a quark.

Gli anni successivi videro diverse proposte volte ad espandere il modello a quark fino a comprendere sei quark. Tra questi, un articolo del 1975 di Haim Harari ha introdotto i termini top e bottom per riferirsi a questi quark appena ipotizzati.

Il quark bottom è stato osservato sperimentalmente nel 1977 da un team del Fermilab, sotto la guida di Leon Lederman. Questa rilevazione ha fornito prove convincenti dell’esistenza del quark top, poiché altrimenti il ​​quark bottom sarebbe privo di un partner corrispondente. La scoperta del quark top non è avvenuta fino al 1995, ottenuta anche dalle collaborazioni CDF e DØ al Fermilab. La sua massa misurata ha superato significativamente le previsioni, avvicinandosi alla massa di un atomo d'oro.

Etimologia

Inizialmente, Gell-Mann rimase incerto sull'ortografia precisa del termine che intendeva introdurre, finché non incontrò la parola quark nell'opera letteraria di James Joyce del 1939, Finnegans Wake:

Il termine quark ha origine da una parola inglese antico che significa gracidare, e le righe precedenti si riferiscono a un coro aviario che deride il re Marco di Cornovaglia all'interno della narrativa di Tristano e Iseult. Tuttavia, in particolare nelle regioni di lingua tedesca, un aneddoto diffuso suggerisce che Joyce abbia derivato la parola da Quark, un termine tedesco di etimologia slava che si riferisce alla ricotta, che denota colloquialmente anche "sciocchezze banali". Secondo questa leggenda, Joyce avrebbe sentito la parola durante un viaggio in Germania, in particolare in un mercato agricolo a Friburgo. Tuttavia, alcuni studiosi sostengono una potenziale etimologia tedesca per l'uso della parola quark da parte di Joyce. Gell-Mann elaborò ulteriormente la nomenclatura dei quark nella sua pubblicazione del 1994, The Quark and the Jaguar:

La parola quark è un'antica parola inglese che significa gracidare e le righe sopra citate riguardano un coro di uccelli che prende in giro il re Marco di Cornovaglia nella leggenda di Tristano e Isotta. Soprattutto nelle parti di lingua tedesca del mondo è però diffusa la leggenda secondo cui Joyce lo avrebbe preso dalla parola Quark, una parola tedesca di origine slava che denota una ricotta, ma è anche un termine colloquiale per "sciocchezze banali". La leggenda narra che lo avesse sentito durante un viaggio in Germania al mercato contadino di Friburgo. Alcuni autori, tuttavia, difendono una possibile origine tedesca della parola quark di Joyce. Gell-Mann è andato più in dettaglio riguardo al nome del quark nel suo libro del 1994 The Quark and the Jaguar:

Nel 1963, quando il nome "quark" fu assegnato ai costituenti fondamentali del nucleone, il concetto fonetico "kwork" precedette la sua rappresentazione ortografica. Durante le successive letture di Finnegans Wake di James Joyce, il termine "quark" fu incontrato all'interno della frase "Tre quark per Muster Mark". Dato che "quark" (tra l'altro, che denota il grido di un gabbiano) era evidentemente destinato a rima con "Mark", "bark" e parole simili, era necessaria una giustificazione per la sua pronuncia come "kwork". Tuttavia, la narrazione del libro ritrae il sogno di un pubblicano di nome Humphrey Chimpden Earwicker. Il lessico all'interno del testo spesso sintetizza più fonti, simili alle parole "portmanteau" trovate in Attraverso lo specchio. Periodicamente, le frasi all'interno dell'opera sono influenzate dalle richieste di bevande al bar. Di conseguenza, è stato postulato che "Tre quark per Mister Mark" potrebbe essere una delle varie origini della frase "Tre quark per Muster Mark", fornendo così una motivazione plausibile per la pronuncia "kwork". Indipendentemente dalla sua etimologia, il numero tre corrispondeva esattamente alla presenza naturale dei quark.

Zweig inizialmente preferiva la designazione asso per la particella da lui teorizzata; tuttavia, la nomenclatura di Gell-Mann ottenne un ampio consenso in seguito all'adozione generale del modello dei quark.

La nomenclatura per i sapori dei quark deriva da varie considerazioni. I quark "up" e "down" derivano i loro nomi dai corrispondenti componenti dell'isospin che possiedono. I quark "strani" hanno ricevuto il loro appellativo a causa della loro identificazione come costituenti di "particelle strane", che sono state osservate nei raggi cosmici anni prima della formulazione del modello dei quark; queste particelle furono definite "strane" a causa della loro durata anomala prolungata. Glashow, che, insieme a Bjorken, ha co-proposto il quark "charm", ha dichiarato: "Abbiamo chiamato il nostro costrutto 'quark charmed', perché eravamo affascinati e soddisfatti dalla simmetria che ha portato nel mondo subnucleare". Harari ha coniato i termini "top" e "bottom", selezionandoli come "partner logici per i quark up e down". Sebbene "verità" e "bellezza" servissero come designazioni alternative rispettivamente per i quark "top" e "bottom", questi termini sono diventati in gran parte obsoleti. Sebbene la "verità" non abbia avuto successo, gli impianti di accelerazione dedicati alla produzione sostanziale di quark "bottom" vengono occasionalmente definiti "fabbriche di bellezza".

Proprietà

Carica elettrica

I quark possiedono valori di carica elettrica frazionari, in particolare −⁠§23§/§67§⁠ o +⁠§1213§/§1617§⁠ volte la carica elementare (e), a seconda della loro sapore. I quark Up, Charm e Top (categorizzati come quark di tipo up) mostrano una carica di +⁠§2627§/§3031§⁠ e, mentre i quark down, strange e bottom (quark di tipo down) hanno una carica di −⁠§4041§/§4445§⁠ e. Gli antiquark possiedono cariche antitetiche ai loro corrispondenti quark; nello specifico, gli antiquark di tipo up hanno cariche di −⁠§5253§/§5657§⁠ e, e gli antiquark di tipo down hanno cariche di +⁠§6465§/§6869§⁠ e. Dato che la carica elettrica di un adrone è la somma delle cariche dei quark che lo costituiscono, tutti gli adroni esibiscono cariche intere. L'aggregazione di tre quark (barioni), tre antiquark (antibarioni) o un quark e un antiquark (mesoni) produce invariabilmente cariche intere. Ad esempio, i costituenti adronici dei nuclei atomici, neutroni e protoni, possiedono cariche pari a 0 e e +1 e, rispettivamente. Un neutrone è composto da due quark down e un quark up, mentre un protone è costituito da due quark up e un quark down.

Gira

Lo spin costituisce una proprietà intrinseca delle particelle elementari, con il suo orientamento direzionale che rappresenta un grado di libertà cruciale. Sebbene occasionalmente concettualizzata come la rotazione di un oggetto attorno al proprio asse (da qui il termine "rotazione"), questa analogia è alquanto imprecisa su scala subatomica, dato che si ritiene che le particelle elementari siano entità puntiformi.

Il momento angolare intrinseco, o spin, è quantificabile come un vettore, con la sua grandezza espressa in unità della costante di Planck ridotta, ħ (pronunciato "h bar"). Quando si misura la componente del vettore di spin lungo qualsiasi asse arbitrario, i quark producono costantemente valori di +⁠ħ/§1011§⁠ o −⁠ħ/§2223§⁠, quindi classificandole come particelle con spin-⁠§2829§/§3233§⁠. Convenzionalmente, la componente di spin lungo l'asse z è rappresentata da una freccia verso l'alto (↑) per il valore +⁠§4041§/§4445§⁠ e una freccia verso il basso (↓) per −⁠§5051§/§5455§⁠, aggiunto al simbolo del sapore. Ad esempio, un quark up che mostra uno spin di +⁠§6061§/§6465§⁠ lungo l'asse z è designato come u↑.

L'interazione debole

La trasformazione del sapore tra i quark è mediata esclusivamente dall'interazione debole, che costituisce una delle quattro forze fondamentali nella fisica delle particelle. Attraverso l'assorbimento o l'emissione di un bosone W, qualsiasi quark di tipo up (compresi i quark up, charm e top) può convertirsi in qualsiasi quark di tipo down (compresi i quark down, strange e bottom), ed è anche possibile la trasformazione inversa. Questo meccanismo di trasformazione del sapore è alla base del processo radioattivo del decadimento beta, in cui un neutrone (n) si trasforma effettivamente in un protone (p), un elettrone (e⁻
) e un antineutrino elettronico (ν
_e). Nello specifico, questo processo coinvolge uno dei quark down all'interno del neutrone (udd) che decade in un quark up attraverso l'emissione di un quark virtuale W⁻
bosone, convertendo così il neutrone in un protone (uud). Successivamente, il bosone W⁻
decade rapidamente in un elettrone e un antineutrino elettronico.

Sia il decadimento beta che il suo processo inverso, il decadimento beta inverso, trovano applicazione di routine in campo medico, in particolare nella tomografia a emissione di positroni (PET), nonché in configurazioni sperimentali per il rilevamento dei neutrini.

Sebbene il processo fondamentale di trasformazione del sapore sia universale per tutti i quark, ciascun quark mostra una distinta propensione a trasformarsi in un quark appartenente alla propria generazione. Le probabilità relative di queste trasformazioni di sapore sono descritte quantitativamente da un costrutto matematico noto come matrice Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM). Soggetto al vincolo di unitarietà, le grandezze approssimative delle voci della matrice CKM sono le seguenti:

${\displaystyle {\begin{bmatrix}|V_{\mathrm {ud} }|&|V_{\mathrm {us} }|&|V_{\mathrm {ub} }|\\|V_{\mathrm {cd} }|&|V_{\mathrm {cs} }|&|V_{\mathrm {cb} }|\\|V_{\mathrm {td} }|&|V_{\mathrm {ts} }|&|V_{\mathrm {tb} }|\end{bmatrix}}\about {\begin{bmatrix}0,974&0,225&0,003\\0,225&0,973&0,041\\0,009&0,040&0,999\end{bmatrix}},}$

L'elemento di matrice V_ij quantifica la propensione di un quark di sapore i a trasformarsi in un quark di sapore j e viceversa.

Esiste anche un'analoga matrice di interazione debole per i leptoni, denominata matrice Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS). Collettivamente, le matrici CKM e PMNS chiariscono tutte le trasformazioni di sapore; tuttavia, le relazioni precise tra queste due matrici non sono ancora del tutto comprese.

Interazione forte e carica di colore

La cromodinamica quantistica (QCD) presuppone che i quark esibiscano una proprietà fondamentale chiamata carica del colore. Questa carica si manifesta in tre tipi distinti, convenzionalmente designati come blu, verde e rosso. Ad ogni colore è associato un anticolore corrispondente: antiblu, antiverde e antirosso. Di conseguenza, tutti i quark possiedono un colore, mentre tutti gli antiquark portano un anticolore.

L'interazione forte, mediata da particelle portatrici di forza conosciute come gluoni, governa le forze attrattive e repulsive tra i quark che possiedono varie combinazioni delle tre cariche di colore. La cromodinamica quantistica (QCD) è il quadro teorico che descrive queste interazioni forti. Un quark, caratterizzato da un unico valore di colore, può formare un sistema legato con un antiquark che porta il corrispondente anticolore. L'interazione tra due quark di tale attrazione porta alla neutralità del colore: un quark con carica di colore ξ combinato con un antiquark con carica −ξ produce una carica di colore netta pari a 0, o colore "bianco", risultante nella formazione di un mesone. Questo fenomeno è parallelo al modello di colore additivo osservato nell'ottica fondamentale. Allo stesso modo, l'aggregazione di tre quark, ciascuno con una carica di colore distinta, o tre antiquark, ciascuno con una carica di anticolore diversa, produce anche una carica di colore "bianca", portando rispettivamente alla formazione di un barione o di un antibarione.

Nella fisica delle particelle contemporanea, le simmetrie di calibro, che costituiscono una classe specifica di gruppi di simmetria, stabiliscono relazioni tra le interazioni delle particelle. Il colore SU(3), spesso indicato come SU(3)_c, rappresenta la simmetria di gauge che correla la carica di colore dei quark e funge da simmetria fondamentale per la cromodinamica quantistica. Analogamente a come le leggi fisiche sono invarianti rispetto alle rotazioni degli assi delle coordinate spaziali (x, y e z), i principi della cromodinamica quantistica sono indipendenti dalle assegnazioni specifiche di blu, rosso e verde all'interno di uno spazio colore tridimensionale. Le trasformazioni di colore SU(3)_c sono matematicamente equivalenti alle "rotazioni" all'interno di questo complesso spazio colore. Ciascun sapore di quark f, comprendente i sottotipi f_B, f_G e f_R corrispondenti ai distinti colori dei quark, costituisce una tripletta. Questa tripletta è un campo quantistico a tre componenti che si trasforma secondo la rappresentazione fondamentale di SU(3)_c. La clausola secondo cui SU(3)_c deve essere locale, ovvero le sue trasformazioni possono variare nello spaziotempo, detta le caratteristiche dell'interazione forte. Nello specifico, questa località implica l'esistenza di otto tipi distinti di gluoni, che funzionano come portatori di forza per questa interazione.

Massa

Due termini distinti definiscono la massa di un quark: la massa del quark attuale denota la massa intrinseca di un quark isolato, mentre la massa del quark costituente comprende la massa del quark attuale combinata con la massa attribuita al campo di particelle di gluoni circostante. Questi due valori di massa mostrano tipicamente una divergenza significativa. La porzione predominante della massa di un adrone ha origine dai gluoni responsabili del legame dei quark costituenti, piuttosto che dai quark stessi. Sebbene i gluoni siano intrinsecamente privi di massa, possiedono energia, in particolare energia legante la cromodinamica quantistica (QCBE), che contribuisce sostanzialmente alla massa totale dell'adrone. Ad esempio, la massa approssimativa di un protone è 938 MeV/c§910§, ma la massa restante dei suoi tre quark di valenza rappresenta solo circa 9 MeV/c§1718§; la sostanziale massa rimanente è in gran parte attribuibile all'energia del campo dei gluoni. Il Modello Standard postula che le particelle elementari acquisiscano la loro massa attraverso il meccanismo di Higgs, che è intrinsecamente legato al bosone di Higgs. Si prevede che la ricerca in corso sulla massa eccezionalmente grande del quark top, circa ~173 GeV/c§2526§ (quasi equivalente alla massa di un atomo d'oro), fornirà informazioni più approfondite sull'origine fondamentale della massa dei quark e di altre particelle elementari.

Dimensione

Nell'ambito della Cromodinamica Quantistica (QCD), i quark sono teorizzati come entità puntiformi prive di struttura interna. Dati sperimentali risalenti al 2014 suggeriscono che i quark non possiedono una struttura distinguibile che superi 10⁻⁴ volte la dimensione di un protone, equivalente a una dimensione inferiore a 10⁻¹⁹ m.

Tabella delle proprietà

Questa tabella successiva delinea le proprietà fondamentali caratteristiche dei sei tipi di quark. I numeri quantici dei sapori, inclusi isospin (I₃), fascino (C), stranezza (S (distinto dallo spin)), topness (T) e bottomness (B′), sono attribuiti a specifici sapori di quark, a significare qualità intrinseche dei sistemi basati sui quark e degli adroni. Il numero barionico (B) per tutti i quark è +⁠§1617§/§2021§⁠, coerente con il fatto che i barioni sono composti da tre quark. Al contrario, per gli antiquark, sia la carica elettrica (Q) che tutti i numeri quantici di sapore (B, I§3031§, C, S, T e B′) mostrano un segno opposto. Tuttavia, la massa e il momento angolare totale (J, che equivale allo spin per le particelle puntiformi) degli antiquark mantengono lo stesso segno delle loro controparti quark.

Quark interagenti

Secondo la cromodinamica quantistica, l'interazione forte tra i quark è facilitata dai gluoni, che sono bosoni di Gauge vettoriali privi di massa. Ogni gluone possiede una singola carica di colore e una corrispondente carica anticolore. All'interno del paradigma convenzionale delle interazioni delle particelle, spesso descritto dalla teoria delle perturbazioni, i gluoni vengono scambiati perpetuamente tra quark attraverso un processo di emissione e assorbimento virtuale. Il trasferimento di un gluone tra quark induce un'alterazione del colore in entrambe le particelle; per esempio, un quark rosso che emette un gluone rosso-antiverde si trasforma in un quark verde, mentre un quark verde che assorbe un gluone rosso-antiverde diventa rosso. Di conseguenza, nonostante il continuo cambiamento del colore di ciascun quark, la loro interazione forte rimane conservata.

Poiché i gluoni stessi trasportano carica di colore, possiedono la capacità di emettere e assorbire altri gluoni. Questa caratteristica porta alla libertà asintotica, un fenomeno in cui la forza di legame cromodinamico tra i quark diminuisce all'aumentare della loro vicinanza. Al contrario, man mano che la separazione tra i quark si espande, la forza di legame si intensifica. Il campo di colore subisce uno stress, analogo a un elastico teso, provocando la generazione spontanea di gluoni aggiuntivi con colori appropriati per rinforzare il campo. Oltre una specifica soglia energetica, le coppie quark-antiquark vengono generate spontaneamente. Queste coppie appena formate si legano successivamente ai quark che si separano, dando luogo alla formazione di nuovi adroni. Questo fenomeno è chiamato confinamento del colore, a significare che i quark non vengono mai osservati isolatamente. Questo processo di adronizzazione avviene tipicamente prima che i quark, generati in collisioni ad alta energia, si impegnino in qualsiasi altra interazione. L'unica eccezione a questa regola è il quark top, che possiede la proprietà unica di decadere prima di potersi adronizzare.

Quark marini

Gli adroni comprendono non solo i quark di valenza (q
_v), che definiscono i loro numeri quantici, ma anche coppie quark-antiquark virtuali (qq), chiamate quark marini (q
_s). La genesi dei quark marini avviene quando un gluone all'interno del campo di colore dell'adrone subisce la fissione; viceversa, l'annichilazione di due quark marini genera un gluone. Questo equilibrio dinamico si traduce in un flusso continuo di divisioni e formazioni di gluoni, comunemente indicato come "il mare". A differenza delle loro controparti di valenza, i quark marini mostrano una stabilità significativamente ridotta e tipicamente subiscono l'annichilazione reciproca all'interno della struttura interna dell'adrone. Tuttavia, in condizioni specifiche, i quark marini possiedono la capacità di adronizzarsi in particelle barioniche o mesoniche.

Fasi alternative della materia di Quark

In ambienti sufficientemente estremi, i quark possono subire un "deconfinamento" dai loro stati legati, propagandosi successivamente come eccitazioni "libere" termalizzate all'interno di un mezzo più ampio. Per il principio della libertà asintotica, l’interazione forte diminuisce di intensità all’aumentare della temperatura. Alla fine, il confinamento del colore cesserebbe effettivamente in un plasma eccezionalmente caldo composto da quark e gluoni non vincolati. Questo ipotetico stato della materia è denominato plasma di quark e gluoni.

Le condizioni precise richieste per l'emergere di questo stato rimangono indeterminate, essendo state oggetto di estese speculazioni teoriche e indagini sperimentali. Una stima suggerisce una temperatura richiesta di circa (1,90±0,02)×10¹² Kelvin. Sebbene uno stato comprendente quark e gluoni completamente liberi non sia stato ancora realizzato, nonostante i notevoli sforzi del CERN durante gli anni '80 e '90, gli esperimenti contemporanei condotti al Relativistic Heavy Ion Collider hanno fornito indicazioni di una materia di quark simile a un liquido che dimostra una dinamica dei fluidi "quasi perfetta".

Il plasma di quark-gluoni si distinguerebbe per un aumento sostanziale della proporzione di coppie di quark più pesanti rispetto a up e down. coppie di quark. Si ipotizza che durante l'epoca precedente i 10⁻⁶ secondi successivi al Big Bang, nota come epoca dei quark, l'universo fosse permeato dal plasma di quark e gluoni, dato che le temperature erano eccessivamente elevate perché gli adroni potessero mantenere la stabilità.

In condizioni di densità barioniche sufficientemente elevate e temperature relativamente basse, potenzialmente analoghe a quelle prevalenti nelle stelle di neutroni, si prevede che la materia dei quark passi in un liquido di Fermi composto da quark debolmente interagenti. Questa fase liquida sarebbe definita dalla condensazione di coppie di quark Cooper colorate, che di conseguenza rompe la simmetria locale SU(3)_c. Poiché le coppie di quark Cooper possiedono una carica di colore, questa particolare fase della materia dei quark mostrerebbe una superconduttività di colore, il che implica che la carica di colore potrebbe attraversarla senza incontrare resistenza.

Note esplicative

Note esplicative

Riferimenti

Ali, A.; Kramer, G. (2011). "JETS e QCD: una revisione storica della scoperta dei getti di quark e gluoni e il suo impatto sulla QCD". Giornale fisico europeo H. 36 (2): 245. arXiv:1012.2288. Codice Bib:2011EPJH...36..245A. doi:10.1140/epjh/e2011-10047-1. S2CID 54062126.

• A. Alì; G.Kramer (2011). "JETS e QCD: una revisione storica della scoperta dei getti di quark e gluoni e il suo impatto sulla QCD". Giornale fisico europeo H. 36 (2): 245. arXiv:1012.2288. Codice Bib:2011EPJH...36..245A. doi:10.1140/epjh/e2011-10047-1. S2CID 54062126.Bowley, R.; Copeland, E. "Quarks". Sixty Symbols. Brady Haran per l'Università di Nottingham.Griffiths, D. J. (2008). Introduzione alle particelle elementari (2a ed.). Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40601-2.Hughes, I. S. (1985). Elementary Particles (2a ed.). Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-26092-3.Oerter, R. (2005). La teoria di quasi tutto: il modello standard, il trionfo nascosto della fisica moderna. Pi Press. ISBN 978-0-13-236678-6.Pickering, A. (1984). Constructing Quarks: A Sociological History of Particle Physics. The University of Chicago Press. ISBN 978-0-226-66799-7.Povh, B. (1995). Particelle e nuclei: un'introduzione ai concetti fisici. Springer-Verlag.ISBN 978-0-387-59439-2.Riordan, M. (1987). The Hunting of the Quark: A True Story of Modern Physics. Simon & Schuster. ISBN 978-0-671-64884-8.Schumm, B. A. (2004). Cose nel profondo: la bellezza mozzafiato della fisica delle particelle. Stampa dell'Università John Hopkins. ISBN 978-0-8018-7971-5.
  • Lezione del Premio Nobel per la fisica 1969 di Murray Gell-Mann
  • Lezione del Premio Nobel per la fisica 1976 di Burton Richter
  • La conferenza del Premio Nobel per la fisica del 1976 tenuta da Samuel C.C. Ting.
  • La conferenza del Premio Nobel per la fisica 2008 presentata da Makoto Kobayashi.
  • La conferenza del Premio Nobel per la fisica 2008 tenuta da Toshihide Maskawa.
  • Heppenheimer, T.A. (nd). *Il quark top e la particella di Higgs*. Questa pubblicazione descrive in dettaglio la metodologia sperimentale del CERN per l'enumerazione delle famiglie di quark.
  • Sito web Pensa in grande, Quarks 2019