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La Fisica delle particelle elementari

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 La Fisica delle particelle elementari

I LEPTONI

Uno scanner misura le collisioni indotte dai neutrini nella camera a bolle del Fermilab, lunga 15 metri. Lo scanner fa passare un cursore su numerosi punti di una scia; basta schiacciare un pulsante per ottenere informazioni digitali sulla collocazione di ogni singolo punto. I computer poi calcolano i dati riguardanti l'energia, il momento, la massa ecc. dei prodotti delle collisioni.

 

Tra le particelle che oggi appaiono prive di struttura e indivisibili (e pertanto fondamentali), quelle non influenzate dalla forza forte sono chiamate leptoni. Sono stati identificati sei tipi di leptoni, chiamati fantasiosamente <sapori>. Tre leptoni - elettrone, muone e particella tau - hanno carica elettrica, -1, mentre differiscono per la massa: l'elettrone è il più leggero e la tau la più pesante. Gli altri tre, i neutrini, sono, come suggerisce il nome, elettricamente neutri. Due di essi, il neutrino elettronico e il neutrino muonico, sono praticamente senza massa. Nonostante la diversità di massa, tutti e sei i leptoni hanno esattamente lo stesso momento angolare di spin. Essi vengono indicati come particelle a spin 1/2, perché ciascuno può ruotare in una di due direzioni. Un leptone è detto destrorso se le dita ripiegate della mano destra ne indicano la rotazione quando il pollice punta nella direzione di avanzamento della particella; è detto sinistrorso quando le dita e il pollice della mano sinistra ne indicano lo spin e la direzione di avanzamento.

Per ogni leptone vi è un corrispondente antileptone, una varietà di antiparticella. Le antiparticelle hanno la stessa massa e lo stesso spin delle rispettive particelle, ma hanno valori opposti di altre proprietà, quale la carica elettrica. Per esempio, gli antileptoni comprendono l'antielettrone, o positrone, l'antimuone e l'antitau, tutti dotati di carica positiva, e tre antineutrini elettricamente neutri.

La fotografia per cui Anderson vinse il premio Nobel. Questa fotografia gli è bastata per stabilire l'esistenza di un elettrone positivo. La direzione del moto indica il segno della carica. Poiché la particella perde energia quando attraversa la lastra collocata nella camera a nebbia, la sua curvatura aumenta dopo la lastra. La particella si muove pertanto dall'alto verso il basso. E dalla sottilissima ionizzazione formatasi attorno alla sua traiettoria si deduce che ha una massa bassissima

 

Nelle loro interazioni i leptoni paiono suddivisi in tre famiglie, ciascuna composta da un leptone carico e dal suo neutrino. Le famiglie sono distinte matematicamente da numeri leptonici; per esempio, all'elettrone e al neutrino elettronico si assegna numero elettronico 1, numero muonico 0 e numero tauonico 0. Agli antileptoni si attribuiscono numeri leptonici di segno opposto. Anche se alcuni leptoni decadono in altri leptoni, il numero leptonico totale dei prodotti di decadimento è uguale a quello della particella originale; si conserva quindi la parentela.

Per esempio, il muone è instabile. Esso decade, dopo una vita media di 2,2 microsecondi, in un elettrone, un antineutrino elettronico e un neutrino muonico, nel corso di un processo mediato dalla forza debole. Nella trasformazione il numero leptonico totale rimane inalterato. il numero muonico del neutrino muonico è 1, il numero elettronico dell'elettrone è 1, mentre quello dell'antineutrino elettronico è -1. I numeri elettronici si annullano, lasciando inalterato il numero muonico iniziale 1. Il numero leptonico si conserva anche nel decadimento della particella tau, che ha una vita media di 3 x 10-13 secondi.

L'elettrone è invece assolutamente stabile. La carica elettrica si deve conservare in tutte le interazioni e non esiste alcuna particella più leggera nella quale possa decadere un elettrone. Il decadimento dei neutrini non è ancora stato osservato. Dal momento che i neutrini sono i membri più leggeri delle loro rispettive famiglie, il loro decadimento violerebbe necessariamente le regole della famiglia di appartenenza.

Dove si osservano i leptoni? L'elettrone è noto come portatore di carica elettrica nei metalli e nei  semiconduttori. Gli antineutrini elettronici sono emessi nel decadimento beta di neutroni in protoni. 

 

I reattori nucleari, che producono un gran numero di neutroni liberi instabili, sono abbondanti sorgenti di antineutrini. Le specie di leptoni rimanenti vengono principalmente prodotte in collisioni ad alta energia di particelle subnucleari, che avvengono in natura quando i raggi cosmici interagiscono con l'atmosfera e negli acceleratori di particelle in condizioni controllate. Solo il neutrino tauonico non è stato osservato direttamente, ma la prova indiretta della sua esistenza è convincente.


a cura di Pio Passalacqua