100 anni di modelli atomici

Dagli elettroni ai protoni, passando per neutroni, quark, pentaquark e l'ultima misteriosa particella scoperta pochi giorni fa in Illinois. Dall'antichità a oggi sono stati fatti molti progressi nello studio della natura dell'atomo, ma ancora si è lontani dalla comprensione definitiva del nocciolo della materia. I prossimi obiettivi? Identificare il bosone di Higgs e chiarire le caratteristiche dei neutrini, alla base della materia oscura

È passato esattamente un secolo dal giorno in cui Ernest Rutherford (1871-1937), chimico e fisico neozelandese, compie un esperimento per confermare il modello atomico sviluppato una decina di anni prima da Joseph John Thomson (1856-1940). È il primo modello ufficiale secondo il quale un atomo è rappresentato da una sfera fluida di materia caricata positivamente, neutralizzata da particelle appena scoperte, cariche negativamente, gli elettroni. Rutherford bombarda un sottile foglio d'oro, situato fra una sorgente di particelle alfa e uno schermo. Le particelle attraversano la lamina e lasciano una traccia del loro passaggio, dando l'opportunità allo scienziato di constatare che, se i raggi alfa non vengono deviati, significa che l'atomo è ancora più complesso di quello studiato da Thomson: esiste, infatti, fra gli elettroni e il nucleo uno spazio vuoto assai ampio, dove sono rintracciabili le cariche elettriche negative che ballonzolano intorno al cuore atomico. A questo punto Rutherford teorizza il neutrone, pur non potendolo confermare: quest'ultimo verrà scoperto ufficialmente nel 1932 da James Chadwick (1891-1974), successo che gli permetterà di ottenere il premio Nobel.

Sono dunque trascorsi cento anni dalla nuova teoria avanzata da Ernest Rutherford, ma ancora siamo ben lontani dal comprendere nei dettagli la natura infinitesimale della materia. Pare una paradosso, eppure, più ci si addentra nei meandri della subatomica, più sembra che ci sia sempre qualcosa di nuovo da scoprire, qualcosa che sfugge sempre anche alle apparecchiature più sofisticate. L'ultima conferma è avvenuta poche settimane fa presso il Tevatron, l'acceleratore di particelle del Fermi National Laboratory a Batavia, in Illinois. Qui i fisici hanno potuto sperimentare l'esistenza di una nuova particella, ancora priva di un nome. Stavano dando la caccia al famigerato bosone di Higgs, la famosa “particella di Dio”, quando si sono accorti di un segnale incomprensibile, verosimilmente assimilabile a un fenomeno fisico sconosciuto: delle 10mila collisioni particellari analizzate, 250 sono risultate anomale, e tutto farebbe, appunto, pensare al decadimento di una nuova realtà elementare. Altre considerazioni verranno fatte nel corso dell'anno, e verso la fine del 2011 i ricercatori saranno in grado di chiarire definitivamente la questione.

Dalla scoperta del neutrone a oggi, si sono comunque succedute numerose scoperte nell'ambito del cosiddetto Modello Standard - teoria che descrive tutte le particelle elementari - che hanno completamente rivoluzionato il disegno schematico di Rutherford. Dopo il '32 è la volta dell'antiprotone e dell'antineutrone, rispettivamente le antiparticelle di protone e neutrone. Al primo giungono nel '55 Emilio Segré (1905-1989) e Owen Chamberlain (1920-2006), al secondo l'anno dopo Bruce Cork. Ma la vera sorpresa arriva a metà degli anni Sessanta, quando si evidenzia che neutroni e protoni non sono la vera base della materia, poiché esistono particelle ancora più piccole: i quark. Le mettono in luce i fisici statunitensi Murray Gell-Mann (1929-vivente) e George Zweig (1937-vivente), che ereditano il nome da Finnegans Wake, un romanzo di James Joyce. I quark rappresentano una nuova famiglia nella fisica delle particelle, tenuto conto del fatto che ne esistono sei tipi: up, down, charm, strange, top e bottom; a loro volta caratterizzati da antiparticelle antiup, antidown, anticharm. Un neutrone è formato da due quark down e un up, mentre un protone è composto da due quark up e un quark down. E non è finita qui.

Nel 2003 è la volta dei cosiddetti pentaquark. Sono particelle subatomiche composte da un gruppo di cinque quark, quattro quark in coppie dette diquark e un antiquark. Le osserva, dopo vari test giudicati poco attendibili presso l'Istituto di fisica nucleare di San Pietroburgo, Takashi Nakano (1964-vivente), dell'Università di Osaka, in Giappone. Altrettanto misteriosa una particella scoperta nel 2009 da un team di scienziati italiani, al lavoro presso lo Stanford Linear Accelerator Center, in California. Qui è stata evidenziata la particella Ds (2317), appartenente alla superfamiglia dei mesoni, microstrutture della materia rappresentate da un quark e un antiquark. In questo caso il riferimento è, dunque, a un atomo formato da un antiquark più leggero, l'antiquark strange, in orbita attorno al quark più pesante charm: qualcosa che prima d'ora non era mai stato visto.

E le sfide del futuro? Sono ancora tutte da scrivere. Uno degli obiettivi principali dei fisici, a parte l'identificazione del bosone di Higgs, è approfondire la natura dei neutrini, particelle elementari con una massa da 100mila a 1 milione di volte più piccola di quella dell'elettrone. Lo scorso anno, intanto, si è giunti a un importante risultato presso i laboratori del Gran Sasso: gli esperti hanno, infatti, rilevato e misurato le caratteristiche di alcune particelle provenienti dal sole, verificando la loro capacità di oscillare fra due stati differenti, muonico e tauonico. Da qui, fra le altre cose, si potrà partire per comprendere i misteri della materia oscura, che occupa gran parte dell'universo.

Elettrone

È la prima particella a essere scoperta. Joseph John Thomson la evidenzia osservando i raggi catodici, sensibili ai campi elettrici e magnetici e assimilabili a particelle cariche negativamente. La sua massa è pari a circa 1/1836 di quella del protone.

Protone

È una particella dotata di carica elettrica positiva, con una massa vicina a quella del neutrone. La scopre Ernest Rutherford, anche se era già stata intuita anni prima dal fisico tedesco Eugene Goldstein. Un protone è composto da tre quark, due up e un down.

Neutrone

Particella subatomica priva di carica elettrica, con una massa leggermente superiore a quella del protone. Costituisce con quest'ultimo il nucleo degli atomi. Un neutrone, fisicamente classificato fra i barioni, è costituito da due quark down w un quark up.

Neutrino

Particella elementare caratterizzata da una massa da 100mila a 1 milione di volte inferiore a quella dell'elettrone. Viene battezzata da Enrico Fermi. Non ha carica elettrica e interagisce con la materia solo attraverso la forza di gravità e la forza nucleare debole.

Antineutrone

Viene identificata nel 1956 tramite esperimenti di collisione protone-protone presso il Lawrence Berkeley National Laboratory. Come il neutrone non ha carica elettrica, ma a differenza di quest'ultimo è composta da antiquark. È una fra le particelle più difficili da osservare.

Quark down

Viene detto quark di prima generazione con una carica elettrica negativa e una massa compresa fra i 3,5 e i 6 MeV (megaelettrovolt). Appartiene alla famiglia dei fermioni, distinta da quella dei bosoni per obbedire al cosiddetto “Principio di esclusione di Pauli”.

Quark up

È il quark più leggero in assoluto, la cui massa, però, non è ancora stata identificata con precisione. Interagisce tramite la forza nucleare forte, caratteristica che l'accomuna a tutti gli altri quark. È un costituente fondamentale dei nucleoni, particella subatomica del nucleo atomico.

Bosoni W e Z

Sono particelle elementari mediatrici della forza nucleare debole. Esistono due tipi di bosone W, rispettivamente con carica elettrica negativa e positiva. Il bosone Z, invece, è neutro. Entrambi hanno un peso considerevole, circa cento volte quello del protone.

Quark top

Particella scoperta nel 1995 presso il Fermilab di Chicago. Fra le particelle elementari è la più massiva, assimilabile al peso del nucleo atomico dell'oro. Decade quasi esclusivamente in un bosone W e un quark bottom.

Mesone esotico

È costituito da una coppia di quark e da una coppia di antiquark. La sua esistenza viene ipotizzata per la prima volta negli anni Settanta, ma viene confermata solo nel 1997. La prova è stata ottenuta tramite test effettuati fra particolari mesoni e un bersaglio di idrogeno liquido.

Pentaquark

Particella subatomica rappresentata da cinque quark, quattro quark in coppie dette diquark e un antiquark. Non tutti gli scienziati, però, sono convinti della sua esistenza. Nell'esperimento noto come g11 eseguito in USA si è cercata invano la conferma del pentaquark, inviando raggi gamma su un bersaglio di protoni.

Particella X

È l'ultima della lista, ma non ha ancora un nome. È stata individuata un mese fa presso il Fermilab di Chicago. Secondo gli esperti è simile al bosone di Higgs, ma è più pesante. Potrebbe rappresentare una nuova forza della natura.