Capitolo 1.1. Maiani

La Fisica delle particelle elementari

HOME PAGE

I LEPTONI

I QUARK

I COLORI

LE INTERAZIONI

 LA SCHERMATURA

IL MASCHERAMENTO

LA SIMMETRIA ELETTRODEBOLE

L'UNIFICAZIONE

 CONCLUSIONI

GLOSSARIO

BIBLIOGRAFIA

LINKS

FORUM

Indice Breve Storia della fisica delle particelle 

Enrico Fermi

.

Particelle e Cosmologia

 

Il Tevatron del Fermilab

 

oltre la teoria standard:

 

C'è un limite alla comprensione?

 


Le Scienze on line

Galileo - giornale di scienza e problemi globali


 

Large Hadron Collider

LHC Italia
 

E-mail

 

Le News dell' INFN

 

Capitolo 1.1.  I prossimi obiettivi nella Fisica delle Particelle Elementari

Luciano Maiani, INFN

1. Introduzione

Le decisioni degli ultimi anni hanno delineato con precisione il programma sperimentale nella fisica delle particelle, almeno per il prossimo decennio.
L' elemento centrale sarà la costruzione del grande collisore a protoni del CERN (Large Hadron Collider, LHC, con energia totale di 14 TeV , da installare nel tunnel esistente della macchina LEP , la cui entrata in funzione è prevista verso il 2004.

Da oggi al 2000, dovrebbero, inoltre, entrare in funzione diverse macchine di bassa energia ma elevatissima luminosità, le cosiddette fabbriche di mesoni, anelli di collisione elettrone-positrone dedicati allo studio di particolari famiglie di particelle. Lo studio dei mesoni K (la macchina DAFNE di Frascati), dei mesoni con charm (Beijing) e dei mesoni con beauty (la macchina CESR di Cornell e le "fabbriche di beauty" di SLAC, in California, e del laboratorio KEK, in Giappone).
Infine, sono previsti intensi programmi di potenziamento delle macchine esistenti, in particolare l' aumento di energia di LEP (la fase 2), l' apertura di una linea per lo studio dei mesoni con beauty alla macchina HERA di Amburgo , il potenziamento della luminosità del Tevatron, il collisore protoni-antiprotoni al Laboratorio Fermi di Chicago.

Quali sono i motivi di queste intense attività, che impegneranno per almeno un paio di generazioni i fisici dei paesi più industrializzati, in imprese tecnologiche senza precedenti? E cosa possiamo intravedere oggi della fisica delle particelle negli anni ancora successivi?
Prima di rispondere a queste domande, occorre fare una breve digressione sullo stato delle attuali conoscenze nella fisica delle particelle e delle forze fondamentali.


2. Forze e Simmetrie

Materia e forze fondamentali sono oggi descritte da uno schema semplice ed elegante, indicato spesso con il nome di Teoria Standard. Le particelle previste nella Teoria Standard sono riportate in appendice, nella Tab. 1.

Uno delle scoperte più sorprendenti della fisica moderna è che le particelle si presentano in multipletti, complessi di particelle in tutto simili tra loro tranne che per il valore della carica elettrica. L' esempio tipico è il doppietto costituito dall' elettrone e dal corrispondente neutrino, Tab.1. Si tratta di particelle con lo stesso valore dello spin, con una massa trascurabile sulla scala delle interazioni fondamentali, e con cariche elettriche che differiscono tra loro di una unità (Qn=0, Qe=-1). Un altro caso, storicamente importante, èàquello del protone e del neutrone, che possono essere considerati come due stati con carica elettrica diversa di una stessa entit�, il nucleone.
Secondo un' idea introdotta da Werner Heisenberg negli anni '30, proprio a proposito del nucleone, l' esistenza dei multipletti riflette l' esistenza di simmetrie, di operazioni, cioè, che possono trasformare una nell' altra le particelle del multipletto stesso, lasciando invariata la dinamica. Le trasformazioni sono analoghe alle rotazioni degli assi in uno spazio astratto, che si indica usualmente col nome di spazio del Sapore,


Fig. 1

Si tratta, naturalmente, di trasformazioni che possiamo eseguire solo concettualmente (non esiste alcuna possibilità concreta di trasformare un elettrone in un neutrino e viceversa). Tuttavia, l' esistenza della simmetria porta a relazioni precise tra quantità fisiche, ad esempio, una conseguenza del concetto di nucleone è che la massa di protone e neutrone devono essere uguali tra loro, una relazione verificata con un errore di solo 1.5 parti su mille.

L' individuazione delle simmetrie presenti in Natura ha tenuto occupati i fisici delle particelle per tutti gli anni '60 e '70. Nel frattempo, era stato sviluppato un nuovo concetto, quello di simmetria locale. In questo caso, il principio è che la dinamica debba restare invariante anche se eseguiamo rotazioni, nello spazio del sapore, che sono diverse nei diversi punti dello spazio e del tempo. In altre parole, mentre nel caso precedente si assumeva che la dinamica dovesse restare invariante quando ogni elettrone dell' Universo veniva sostituito dal corrispondente neutrino e viceversa, adesso si assume che l' invarianza sussista anche quando questa sostituzione avviene soltanto in una limitata regione dello spazio e del tempo, ad esempio ora, nel mio laboratorio, ma non altrove o in un altro momento. A parte la ragionevolezza del principio , il fatto notevole è che l' esistenza di una simmetria locale è una condizione tanto forte da determinare addirittura la forma delle forze fondamentali: la simmetria determina la dinamica (Yang e Mills, 1954).

Perchè siamo soddisfatti di una situazione del genere? Perchè in questo caso, le proprietà globali delle particelle che si possono desumere dalla Tab.1, ad esempio i valori delle cariche elettriche, sono sufficienti per fissare anche le loro mutue interazioni. è un principio analogo a quello della gravitazione universale di Newton e di Einstein, secondo cui la forza è determinata unicamente dalla massa, o quello dell' elettromagnetismo di Maxwell, secondo cui la forza è fissata dalla carica elettrica. Anzi, proprio questa universalità e le conseguenti analogie formali, aprono la strada ad una possibile unificazione delle forze fondamentali tra di loro e con la forza di gravità, un obiettivo inseguito invano da Einstein negli ultimi anni della sua vita.
Al momento attuale, il processo di unificazione è completo solo per quanto riguarda la teoria delle interazioni Elettromagnetiche e Deboli, confermata con grande precisione dai dati raccolti alle macchine LEP e SLC 5 sul bosone Z0. Esistono teorie che unificano le interazioni forti con quelle elettrodeboli (teorie di Grande Unificazione, GUT) ma non sono ancora provate sperimentalmente

. L' unificazione di tutte le interazioni fondamentali, gravità inclusa, è su un piano ancora più speculativo, ed è basata, oggi, sulle cosiddette Teorie di Superstringa, teorie veramente rivoluzionarie, nelle quali le particelle si rivelano essere le vibrazioni elementari di oggetti estesi simili ad una corda (stringhe), in moto nello spazio-tempo. Elemento centrale dell' unificazione con la gravità è l' introduzione di un nuovo tipo di simmetria, la Supersimmetria, che collega tra loro particelle di spin diverso (si veda, per maggiori informazioni, gli articoli di Sergio Ferrara e di Gabriele Veneziano). Nelle teorie supersimmetriche, ciascuna delle particelle che appare nella Tab.1 fa parte di un supermultipletto, completato da altre particelle ancora da scoprire, i cosiddetti compagni supersimmetrici.

3. La frontiera dell' alta energia

La frontiera attuale nella fisica delle particelle riguarda non tanto l' esistenza delle simmetrie locali, di cui abbiamo ampie prove sperimentali, ma piuttosto il fatto che la simmetria alla base della teoria unificata elettrodebole non può essere esatta. Se così fosse, nessuna delle particelle conosciute potrebbe avere una massa. Il mondo sarebbe drammaticamente diverso da come ci appare .
Il meccanismo con cui la simmetria è violata, secondo le teorie attuali, è sorprendente. Nello spazio vuoto, privo di ogni forma di materia e di radiazione, sarebbe sempre presente un campo, di valore costante nello spazio e nel tempo e, naturalmente, uguale a se stesso in ogni sistema di riferimento inerziale, per non contraddire il principio della Relatività Speciale. La simmetria è rotta proprio dall' esistenza di questo campo, che ha la proprietà di selezionare una direzione ben definita nello spazio del Sapore, e permette quindi di distinguere l' elettrone dal neutrino, i bosoni Z e W dal fotone, etc., cfr. Fig.2.

Il vuoto, piuttosto che essere uno stato privo di proprietà, assomiglierebbe dunque alla superficie di un lago in assenza di perturbazioni. Naturalmente, anche il campo di Higgs può entrare in oscillazione, se opportunamente eccitato. Le oscillazioni in cui il campo cambia semplicemente la sua direzione nello spazio del sapore sono associate alla propagazione dei bosoni Z e W. Resta però un secondo tipo di onda (le oscillazioni in cui varia l' intensità del campo) associata alla propagazione di una particella diversa, mai osservata finora, il cosiddetto bosone di Higgs.
La teoria permette di prevedere tutte le proprietà del bosone di Higgs tranne la sua massa. Il fatto che il bosone di Higgs non sia stato osservato al LEP implica che la massa sia superiore a circa 60 volte la massa del protone . Indicazioni teoriche abbastanza precise indicano inoltre che la massa del bosone di Higgs non dovrebbe superare un valore di circa 700 volte la massa del protone. In questo ampio intervallo, la particella di Higgs dovrebbe essere alla portata del collisore LHC, la macchina in costruzione al CERN di cui abbiamo parlato all' inizio.

Oltre alla ricerca del bosone di Higgs, sono stati individuati due altri obiettivi del progetto LHC.


Fig.2. Le Particelle Supersimmetriche.

Il primo riguarda la ricerca delle particelle di nuovo tipo richieste dalla Supersimmetria. Numerose indicazioni teoriche suggeriscono l' esistenza di queste particelle ad energie dell' ordine del TeV. In questo caso, LHC avrebbe buone possibilità di rivelare i compagni supersimmetrici più leggeri e di studiarne le principali caratteristiche.
Oltre a quanto riportato nella Sez.2, una motivazione importante circa l'esistenza della Supersimmetria è che la particella supersimmetrica più leggera, probabilmente una particella neutra di spin 1/2 indicata col nome di neutralino, sarebbe il candidato ideale per risolvere il problema cosmologico della cosiddetta materia oscura. Le Galassie possiedono un alone di materia assolutamente invisibile, rivelato solo per i suoi effetti gravitazionali e che non può essere costituito da materia ordinaria. L' osservazione di una particella neutra, stabile e relativamente leggera, completerebbe la nostra conoscenza dell' Universo, oggi singolarmente inadeguata circa la vera natura di più del 90% della sua massa!

Un nuovo stato della materia nucleare.

Ad altissime temperature, dell' ordine di quelle prevalenti nell' Universo primordiale, qualche decimillesimo di secondo dopo il Big-Bang, si pensa che le particelle nucleari, protoni, neutroni, etc., si dissolvano per dare luogo ad un nuovo stato della materia. In questo stato i quark ed i gluoni, normalmente confinati all' interno delle particelle nucleari, potrebbero propagarsi liberamente per formare un plasma di quark e gluoni liberi. In LHC sarà possibile far collidere frontalmente due ioni pesanti (oltre che due protoni). Nell' urto, i nucleoni vengono bruscamente frenati, liberando la loro enorme energia cinetica sotto forma di energia termica. Si potrebbe così produrre una goccia di plasma di quark e gluoni, per un istante infinitesimo ma sufficiente per poterla rivelare.
E' in corso un vivace dibattito su quali siano i migliori indicatori della produzione del nuovo stato (ad esempio un brusco aumento della produzione di particelle contenti il quark s, o di mesoni con charm, o altro). L' apparizione di uno stato della materia nucleare così eccezionale, se esso realmente esiste, non dovrebbe sfuggire ai sofisticati rivelatori di particelle messi in campo ad LHC. L' identificazione di un nuovo stato della materia avrebbe, naturalmente, importanti conseguenze per la comprensione dell' Universo primordiale.


4. Simmetria materia-antimateria

L' esistenza dell' antimateria è stata prevista nel 1928 dal fisico inglese P.A.M. Dirac, nell' ambito della sua teoria relativistica dell' elettrone. La teoria di Dirac prevede una perfetta simmetria tra materia e antimateria, simmetria confermata successivamente da numerose prove sperimentali.
Conosciamo due importanti eccezioni a questa simmetria , molto diverse tra loro e, proprio per questo, difficili da conciliare una con l' altra.
Dopo l' esperimento di Cronin, Christensen, Fitch e Turlay (1964), sappiamo che la simmetria tra materia ed antimateria è violata, in modo inequivocabile, nei decadimenti dei mesoni K neutri. La violazione osservata è molto piccola, ad esempio la preferenza del mesone KL per i decadimenti con emissione di un positrone piuttosto che di un elettrone è di circa lo 0.3%. Al momento, non è ancora stabilito se l' effetto sia dovuto ad una componente delle familiari interazioni elettrodeboli, o non sia piuttosto il riflesso di una nuova interazione, molto meno intensa e visibile solo in questo sistema.
Il secondo caso riguarda, invece, la struttura in grande dell' Universo. Le osservazioni astronomiche sono consistente con l' ipotesi che l' Universo sia costituito esclusivamente di materia e non, come ci si potrebbe aspettare vista la simmetria, di isole di materia e di isole di antimateria. Questo è tanto più sorprendente in quanto, secondo la teoria del Big-Bang, l' Universo stesso avrebbe attraversato una fase di alta temperatura in cui l' antimateria doveva essere altrettanto abbondante della materia .

Al contrario di quanto avviene nella fisica microscopica dei mesoni K, la simmetria materia-antimateria è violata del 100% su scala cosmica. I due fatti, apparentemente contraddittori, potrebbero trovare una spiegazione comune se anche la conservazione del numero barionico fosse violata a livello microscopico. In questo caso (discusso per la prima volta da A. Sakharov) l' Universo di altissima temperatura inizialmente simmetrico (cioè con un egual numero di protoni e antiprotoni, o di neutroni e antineutroni) avrebbe potuto evolvere spontaneamente in un Universo asimmetrico, con una preponderanza di materia sull' antimateria.
Perchè funzioni una ipotesi così affascinante (la generazione, per così dire, spontanea della materia visibile) occorre una violazione della simmetria materia-antimateria abbastanza intensa e diffusa a livello delle particelle fondamentali.

Diversi progetti sperimentali, in via di sviluppo al momento attuale, sono appunto mirati ad identificare l' origine della violazione della simmetria materia-antimateria in diversi sistemi fisici. Il progetto DAFNE, un anello di collisione elettrone-positrone di alta luminosità in costruzione a Frascati, è dedicato allo studio di precisione della violazione di questa simmetria nei decadimenti dei mesoni K neutri. I progetti di energia più alta (a Cornell, a SLAC, in Giappone e ad HERA, come ricordato nella Introduzione) sono dedicati alla ricerca di analoghe violazioni nei decadimenti dei mesoni con beauty.

La ricerca dell' altro fenomeno necessario per spiegare l' asimmetria dell' Universo, e cioè l' instabilità del protone, è stata condotta in molti laboratori sotterranei, finora senza successo. Gli esperimenti della prossima generazione dovrebbero spingere i limiti sulla vita media del protone a valori dell' ordine di 10(exp34) anni. Valori più elevati (fino a circa 1036 anni) sono misurabili solo con l' osservazione della materia contenuta in volumi giganteschi (dell' ordine di 106 m3). In futuro, simili osservatori potrebbero essere realizzati con sistemi che cominciano ad essere studiati in questi anni, costituiti da sistemi di fotomoltiplicatori installati a grande profondità in laghi (il progetto del lago Baikal in Siberia), mari profondi (il progetto DUMAND, alle Hawaii, e il progetto NESTOR, nel Peloponneso) o sotto i ghiacciai dell' Antartide (progetto AMANDA).


5. Collisori lineari

Il progresso in fisica delle particelle è stato spesso collegato, nel passato, all' alternanza di macchine ad elettroni e macchine a protoni .

Nelle collisioni elettrone-positrone, possiamo effettuare misure di grande precisione, a causa della buona definizione dell' energia dei fasci e del numero relativamente piccolo di eventi non interessanti. Nelle collisioni protone-antiprotone, più ancora in quelle protone-protone, è invece possibile raggiungere energie ed intensità più elevate, al prezzo di una peggiore definizione in energia (le nuove particelle sono prodotte nelle collisioni dei componenti elementari del protone o dell' antiprotone, che non hanno energia definita) e della presenza di un fondo considerevole, dovuto ai frammenti secondari delle collisioni stesse.

I due tipi di macchina possono essere caratterizzati, rispettivamente, come macchine "microscopio" e macchine "esplorative". Per restare al caso più recente, la particella Z (vedi Tab. 1) è stata scoperta al collisore protoni-antiprotoni del CERN, ma solo con l' anello elettrone-positrone LEP è stato possibile uno studio accurato delle sue caratteristiche fisiche.

Con la fase 2, la macchina LEP raggiungerà, tuttavia, il limite naturale delle macchine circolari per elettroni. L' accelerazione centrifuga cui sono sottoposte le particelle produce un irraggiamento continuo, la cosiddetta luce di Sincrotrone. Per raggiungere e mantenere nei fasci l' energia desiderata, occorre rifornire continuamente l' energia persa, un compito che diventa sempre più costoso al crescere dell' energia stessa delle particelle (la potenza irraggiata cresce con la quarta potenza della loro energia ).

Per aggirare l' ostacolo, sono stati sviluppati acceleratori lineari di concezione completamente nuova, i collisori lineari (linear collider), primo esempio la macchina SLC di Stanford. In SLC, pacchetti di elettroni e di positroni sono accelerati nella stessa struttura lineare (per mezzo di campi elettrici di segno alternato) e, al termine del percorso, sono deviati in modo da collidere frontalmente.

I problemi cruciali dei collisori lineari sono essenzialmente due.
Il primo, un problema di luminosità, è collegato al fatto che i pacchetti di elettroni e di positroni collidono tra loro una sola volta (a differenza di quanto avviene negli anelli di collisione, nei quali gli stessi pacchetti circolano nella macchina per lungo tempo e si incontrano moltissime volte). Quindi, occorre realizzare pacchetti concentrati su sezioni piccolissime (dell' ordine del micron, in SLC), per ottenere un sufficiente numero di collisioni e poter quindi osservare anche eventi relativamente rari.
In secondo luogo, si devono ottenere campi elettrici acceleranti sufficientemente intensi, affinchè le dimensioni lineari del sistema non raggiungano valori proibitivi. I campi elettrici che si realizzano oggi, in cavità prodotte su scala industriale e costi controllati, sono dell' ordine dei 10 Milioni di Volt/metro. In corrispondenza, l' energia guadagnata dagli elettroni è:


DE/DL = 10 MeV/m = 10 GeV/km


Con una dimensione di 10 km, al limite del realizzabile, è possibile raggiungere collisioni di energia pari a quella di LEP 2, circa 100 GeV/fascio. A queste energie, tuttavia, non è più praticabile la deflessione dei fasci a fine corsa, ed è quindi necessario realizzare due strutture lineari opposte tra di loro per gli elettroni e per i positroni.

E' in corso un vigoroso programma internazionale di Ricerca & Sviluppo in questo settore (la collaborazione TESLA), per definire il progetto di un collisore lineare di 10km + 10km ed energia di 250 GeV/fascio, estendibile, in futuro, fino a 1TeV/fascio. In Europa, la collaborazione è centrata sul Laboratorio DESY di Amburgo, negli USA a Stanford e a Chicago. Un progetto analogo è in corso di definizione in Giappone (il progetto JLC).

Con questi collisori, che potrebbero entrare in funzione già nel primo decennio del secolo, si potrebbero studiare con estremo dettaglio le proprietà del quark top e del bosone di Higgs e ricercare i compagni supersimmetrici dell' elettrone e dei neutrini.

Irraggiando con intensi fasci laser i due fasci di un collisore elettrone-positrone (o elettrone-elettrone) si possono produrre, per diffusione Compton, due fasci di fotoni di eguale focalizzazione ed energia di poco inferiore, ed estendere il programma delle macchine alla fisica delle collisioni fotone-fotone di alta energia, un campo completamente inesplorato.


6. Fisica fondamentale e trasferimento tecnologico

La costruzione della macchina LHC, dei collisori lineari, o la ricerca del bosone di Higgs sono imprese di grande portata. Per tenere in orbita i protoni di LHC, sarà necessario costruire migliaia di magneti superconduttori raffreddati con Elio liquido , anch' esso superfluido alla temperatura di 1.9 gradi assoluti, con campi magnetici di intensità mai prodotta prima su cos� grande scala.

Per quanto riguarda i rivelatori, ad LHC sono previsti tre apparati di grandi dimensioni, per la ricerca del bosone di Higgs e per gli altri obiettivi di cui ho parlato in precedenza (cfr.Par. 4). L' intensità dei fasci di LHC sarà altissima, per permettere la produzione di un adeguato numero di particelle. Questa caratteristica pone notevoli difficoltà, in diversi settori. Sarà necessario sviluppare rivelatori atti a sopportare altissime dosi di radiazione, sistemi informatici nuovi per elaborare enormi quantità di dati in tempi brevissimi e, infine, elaborare sistemi per riconoscere gli eventi associati con la produzione del bosone di Higgs o di particelle supersimmetriche, su un fondo di collisioni poco interessanti ma enormemente più frequenti.

Imprese di questo genere richiedono una base industriale adeguata. Nella costruzione dei prototipi dei magneti sono già impegnate diverse industrie europee. L’INFN ha iniziato da tempo una collaborazione con le industrie italiane del settore, per lo sviluppo e la costruzione di prototipi di magnete dipolare superconduttore, una collaborazione che ha dato risultati finora eccellenti.

La richiesta di tecnologie molto avanzate, in diversi casi non ancora disponibili, e il coinvolgimento dell' industria in tutte le fasi del progetto saranno, in effetti, i dati caratteristici di tutta la fisica delle particelle elementari del prossimo decennio, di pari passo con le dimensioni considerevoli degli investimenti richiesti, in termini finanziari e di risorse umane. Questi fatti ci portano a considerare pi� da vicino il problema dell' accettabilità sociale dello sviluppo della ricerca di base.

Al giorno d' oggi, la società non potrebbe sopravvivere senza l' apporto di prodotti tecnologici, sviluppati per il progresso della scienza ma che fanno ormai parte del tessuto della società stessa, dal calcolatore elettronico al laser, dai raggi X alla Risonanza Magnetica Nucleare. Nel passato, il trasferimento delle conoscenze dalla ricerca di base alla società industriale è avvenuto in modo spontaneo, non programmato, tutto sommato casuale. Questo andava di pari passo con il fatto che la ricerca scientifica richiedeva investimenti modesti, giustificabili sulla pura scala del progresso scientifico.

Adesso stiamo entrando in una fase nuova. La scienza di base, non solo in fisica delle particelle, richiede investimenti su grande scala, per i quali è necessario fornire giustificazioni in termini di contributo al progresso civile, più che nel passato. La possibilità stessa di un progresso scientifico mi sembra fortemente condizionata alla capacità di rendere convincenti, in termini di contributo allo sviluppo, investimenti considerevoli e prolungati nel tempo.

Sono convinto che il trasferimento alla società civile e la messa a frutto delle tecnologie sviluppate per la ricerca avanzata costituiscano, oggi, delle sfide di grande dimensione concettuale, non inferiore alla dimensioni degli stessi problemi scientifici con cui desideriamo confrontarci.


7. Conclusioni

Tema dominante della fisica delle particelle degli ultimi venti anni è stata la verifica della Teoria Standard, più precisamente, di quella parte della teoria che è collegata al principio di simmetria locale discusso nel Par. 2: le proprietà dei quark e dei leptoni, le caratteristiche fisiche dei bosoni intermedi, W e Z.

Le macchine della prossima generazione ci porteranno in una situazione completamente diversa, permettendoci di mettere alla prova idee che poggiano su basi molto meno sicure: la natura delle violazioni delle simmetrie della Teoria Standard, inclusa la simmetria materia-antimateria, e la possibile esistenza di nuove particelle legate alla supersimmetria. Il nuovo dominio di fenomeni ha collegamenti precisi ed affascinanti con la struttura su grande scala del nostro Universo e con la dinamica degli istanti iniziali.

In questo territorio, è possibile incontrare fenomeni interamente nuovi, che potrebbero richiedere cambiamenti radicali del nostro modo di vedere le interazioni fondamentali.


Appendice

La Teoria Standard costituisce uno schema semplice ed elegante, illustrato nella Tab.1, che descrive, senza eccezioni conosciute, la materia e le forze fondamentali, alla scala degli attuali acceleratori.

Le particelle nucleari, protone e neutrone, sono composte da due tipi di particelle elementari, i quark u e d. Oltre a questi due tipi di quark, le particelle elementari della prima famiglia comprendono l' elettrone ed il corrispondente neutrino, la particella neutra emessa nel decadimento beta del neutrone.




Tabella 1



Per motivi che sono ancora misteriosi, la prima famiglia di particelle è seguita da almeno altre due, composte, in modo analogo, da un doppietto di quark e da un doppietto di leptoni, particelle con proprietà analoghe a quelle dell' elettrone e del corrispondente neutrino. I quark della seconda famiglia, s e c, entrano nella composizione delle particelle strane, scoperte nella radiazione cosmica nell' immediato dopoguerra, e delle cosiddette particelle con charm, scoperte nel 1976. Per quanto riguarda i quark della terza famoglia, il quark b, che interviene nella composizione delle particelle con beauty, è stato osservato e studiato fin dal 1977, mentre l' osservazione del quark top, con una massa pari a circa 170 volte la massa del protone, è stata annunciata al Tevatron nel 1994, dalla collaborazione CDF, composta da ricercatori USA, italiani, giapponesi e di altre nazioni .

La Teoria Standard prevede un leptone neutro, o neutrino, per ogni famiglia. Due dei tre tipi di neutrini sono stati osservati direttamente, mentre del neutrino associato al leptone t si hanno solo indicazioni indirette. I neutrini osservati sono molto più leggeri delle altre particelle, se pure hanno una massa visto che tutte le osservazioni sono compatibili, entro gli errori sperimentali, con neutrini di massa nulla.

Nella Tab.1 sono anche indicate le forze fondamentali finora conosciute. Le forze sono trasmesse da particelle con proprietà per certi aspetti simili tra loro: il fotone, per le familiari forze elettromagnetiche, i bosoni intermedi, W e Z, per le forze deboli identificate da Fermi come responsabili dei decadimenti beta, e i gluoni per le forze nucleari.

La forza di gravità, che è del tutto trascurabile al livello delle particelle subnucleari, è mediata da una particella non ancora osservata direttamente, il gravitone.



Figura 1.
Rotazione degli assi nello spazio astratto del "sapore"

Figura 2.
Il campo di Higgs è indicato dalle frecce, che rappresentano la sua direzione nello spazio del sapore. Sono anche indicati i due modi di oscillazione possibili del campo. Le oscillazioni perpendicolari alla direzione del campo (nello spazio del sapore) sono associate alla propagazione dei bosoni Z e W; le oscillazioni in cui varia l' intensità del campo sono associate alla propagazione di una nuova particella, il bosone di Higgs.

 

tratto da: L'Italia al CERN. Le ragioni di un successo. Menzinger, F. Publisher INFN Laboratori Nazionali di Frascati 1995.