quelli che avvengono su scala microscopica a quelli macroscopici, utilizzando
quattro forze fondamentali: gravitazionale, elettromagnetica, nucleare
forte e nucleare debole. Attualmente la maggior parte dei fisici teorici
sono impegnati direttamente o indirettamente nell’unificare in un unico
modello le quattro forze in modo tale che ogni forza sia un modo di apparire
di un’unica forza. Lo stesso Einstein cercò di trovare una trattazione
matematica che potesse raggruppare l’elettromagnetismo e la gravità
(le interazioni nucleari non erano ancora state scoperte), ma egli non
vi riuscì.
Vediamo come sia possibile unificare le varie forze della natura, ma
prima facciamone una rapida carrellata.
Ogni interazione è trasmessa da particelle che agiscono
da mediatori e quindi, in un contesto quantistico le forze sono viste come
lo scambio di particelle tra i corpi che interagiscono. Unificare le forze
in fisica vuol dire che tutte le interazioni vengono descritte come
lo scambio di una particella X.
Dato che solo nella teoria quantistica ha senso parlare di particelle
che trasportano la forza di interazione, noi dobbiamo rivedere tutte le
interazioni in un contesto quantistico. (problema non ancora
risolto per la gravitazione).
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E’ di gran lunga la forza più debole tra le quattro, ma ha capacità
di agire a lunghe distanze (cosmologiche).
Tutti conosciamo l’azione della forza gravitazionale.
La teoria che descrive l’interazione gravitazionale è la Relatività
generale (Einstein 1916). (Tutt’oggi non possiede una formulazione
quantistica compiuta).
Nella visione quantistica del fenomeno, si dice che la forza esercitata
tra due particelle di materia viene trasportata da una particella di nome
gravitone (non ancora osservato).
La gravitazione regola la struttura dell’universo, e la forza è
sempre attrattiva.
di Heisenberg sull’esistenza delle “forze di scambio“(1932)
e sulla teoria dell’interazione debole di Fermi (1934) dimostrò
e verificò che i protoni e i neutroni all’interno del nucleo dovevano
scambiarsi delle particelle .Yukawa fu il primo giapponese a vincere il
Nobel nel 1949.
Questo tipo di forza agisce all’interno dei nuclei atomici tenendo
assieme i protoni e neutroni, è l’interazione più forte,
ma ha un raggio d’azione molto breve.
La teoria che descrive l’interazione nucleare forte in un contesto
quantistico si chiama Cromodinamica quantistica (QCD ,
Quantum Chromo Dynamics) il suo fondatore è Murray Gell-Mann
(1953).
L’interazione si esercita su particelle elementari chiamate adroni,
che a sua volta si suddividono in barioni (protoni e neutroni) e mesoni
.
Alla base della QCD vi è l’ipotesi che gli adroni siano formati
da quark e antiquark (antiparticella).
Questi quark che sono le particelle fondamentali, possiedono determinate
proprietà quantistiche; i quark sono distinti in sei tipi o sapori
ciascun tipo è distinto da un’altra caratteristica chiamata colore
(rosso,verde e blu).
Ogni sapore(o tipo) di quark esiste nei tre colori.
L’idea fondamentale nella QCD è che ogni quark possiede una
carica di colore che agisce tra le cariche di colore dei quark che
costituiscono gli adroni.
Quando due o tre quark si uniscono formando un mesone o un barione,
vi è una regola che stabilisce che il colore che si ottiene unendo
i colori dei quark costituenti debba essere bianco.
Ma la cosa più sconcertante è che i quark sono portatori
di carica elettrica frazionaria.
Questo pone dei rigidi vincoli nella composizione della particelle;
il mesone sarà composto da un quark e un antiquark, e i barioni
saranno composti da tre quark di colore diverso.
L’interazione forte si esercita tra i quark mediante una particella
chiamata gluone (dall’inglese glue, colla), che trasporta
un colore e un anticolore.
Nell’interazione forte i quark si scambiano i colori emettendo o ricevendo
un gluone, mantenendo sempre il colore totale bianco.
In questo modo abbiamo definito un sistema di scambio che mantiene
nulla la variazione di colore di una particella.
Inoltre la QCD prevede che gran parte della massa dei quark che formano
gli adroni si presenti sotto forma di energia di legame: sarebbe perciò
impossibile osservare i quark isolati a causa dell’enorme energia necessaria
per tenerli separati.
La teoria dei quark è in grado di spiegare molte cose, e valse
a Gell-Mann il premio Nobel nel 1969.
(elettrone, neutrino, ecc..) si manifesta per esempio nel decadimento radioattivo
,cioè nella disintegrazione di atomi radioattivi, in cui un neutrone
si trasforma in un protone.
Fermi nel 1934 mise a punto le basi teoriche che dimostrarono l’esistenza
di una forza simile all’elettromagnetismo ma molto più debole (da
cui ne deriva il nome).
Fermi lavorò sulla congettura di Heisenberg sull’esistenza
delle “forze di scambio” (1932), e sull’ipotesi di Pauli
(1931) dell’emissione di un neutrino durante il decadimento
(emissione di una particella
da parte di un nucleo).
L’interazione ha un raggio d’azione molto breve e può essere
racchiusa in distanze pari o inferiori alle dimensioni di un nucleo atomico.
(Fermi ottenne il Nobel nel 1938 ).
è l’interazione che sta alla base dei processi chimici e biologici.
L’unificazione dell’interazione elettromagnetica la dobbiamo al fisico
scozzese J.C. Maxwell che con le sue equazioni (1876) riuscì
ad unificare l’interazione elettrica con l’interazione magnetica.
Maxwell dimostrò che l’elettricità e il magnetismo non
esistevano separatamente ma l’una era un aspetto inevitabile dell’altro.
Vi era l’unica forza elettromagnetica.
Nella visione quantistica del fenomeno, si dice che la forza esercitata
tra due particelle cariche elettricamente viene trasportata da una particella
di nome fotone.
Utilizzando la meccanica quantistica il famoso fisico americano Richard
Phillips Feynman nel 1948 mise appunto delle equazioni che governano
il comportamento degli elettroni e delle interazioni elettromagnetiche.
La teoria fu chiamata elettrodinamica quantistica (QED
, quantum electrodynamics) e si rilevò tanto valida da essere
utilizzata come modello per elaborare equazioni che governassero il comportamento
di particelle soggette a interazioni forti e deboli.
Per questo lavoro ricevette il premio Nobel nel 1965.
Teorie delle Grande Unificazione, GUT.
interagiscono tramite una particella, chiamata fotone.
Analogalmente, anche le forze nucleari debole e forte devono esercitarsi
mediante lo scambio di particelle: i bosoni vettori W e Z per la forza
debole e i gluoni per quella forte.
La GUT si basa sull’esistenza di queste particelle che mediano l’interazione.
Nel 1968, tre fisici S.Weinberg, A.Salam e S.Glashow crearono
una teoria che comprendeva l’interazione elettromagnetica e quella debole.
Dimostrarono che a temperature o energie sufficientemente elevate le due
sono effettivamente un’unica interazione. Soltanto col diminuire dell’energia
i due aspetti si separano.
Questa teoria venne chiamata interazione elettrodebole,
e i tre fisici ricevettero il premio Nobel nel 1979.
L’interazione è trasportata dai bosoni W che portano sia la
carica elettromagnetica che quella debole.
Grazie all’interazione elettrodebole si è ottenuta una notevole
semplificazione nel mondo delle particelle: ora tutti i fenomeni sono riconducibili
all’interazione di leptoni e di quark.
Si è altresì notato che teoricamente le due forze, elettrodebole
e forte, devono avere lo stesso comportamento ad altissime energie:
cioè sono un’unica forza che si differenzia man mano che le energie
diminuiscono.
La GUT si basa sul seguente ragionamento:
Poiché la costante di accoppiamento forte decresce quanto più
sono vicini i quark interagenti, è opportuno chiedersi se esiste
un’energia, e quindi una distanza di interazione alla quale la costante
di accoppiamento forte diventi uguale a quella dell’interazione elettrodebole.
L’energia richiesta è 1024 elettronvolt; a queste
energie non dovrebbero esistere interazioni forti o elettrodeboli, ma un’unica
interazione, governata da una simmetria che coinvolga quark e leptoni,
che risulterebbero del tutto equivalenti e quindi indistinguibili.
Si parla di simmetria e precisamente di SU(5) che mette in comunicazione
le famiglie leptoniche e barioniche, prevedendo quindi la violazione del
numero barionico e leptonico.
Quindi tutti gli esperimenti volti a confermare la violazione del numero
barionico e leptonico, confermano la teoria della simmetria SU(5), il che
equivale a dire che confermano la GUT.
Non possediamo ancora la tecnologia sufficiente per verificare la GUT,
i nostri acceleratori di particelle non sono in grado di arrivare ad energie
sufficienti.
Poiché i moderni acceleratori di particelle operano a energie
dell’ordine 1011-1012 elettronvolt, rispettivamente
il LEP del CERN di Ginevra e il Tevatron del Fermi National Accelerator
Laboratory (Fermilanb), a Batavia (Illinois, USA), questi non sono in grado
di raggiungere energie di 1024 elettronvolt necessarie per dimostrare
la GUT e tanto meno raggiungono i 1028 elettronvolt per dimostrare
la Teoria del Tutto (riportata di seguito).
Attualmente le energie raggiunte dagli accelleratori hanno permesso
solo una parziale conferma della GUT, la teoria elettrodebole che
fa ben sperare nel futuro.
guidata dal fisico italiano Carlo Rubbia è riuscita
ad osservare i bosoni vettori W e Z e quindi hanno confermato la teoria
elettrodebole di S.Weinberg, A.Salam e S.Glashow, che unifica la forza
elettromagnetica con quella debole, per questo lavoro Carlo Rubbia con
la sua equipe ricevettero il premio Nobel nel 1984.
Per quanto riguarda l’unificazione tra l’interazione elettrodebole
e quella forte, le verifiche sperimentali sono impraticabili in laboratorio,
poiché le energie necessarie non possono essere raggiunte dai moderni
acceleratori di particelle.
Attualmente si stanno cercando prove indirette.
Primo esempio di prova indiretta:
Decadimento radioattivo del protone, che sarebbe impossibile se le
forze non discendessero da una forza comune.
Nel 1973 Abdus Salam ipotizzò che la GUT dovesse implicare
che il protone fosse lievemente instabile.
Così, in qualsiasi gruppo di protoni, metà di essi dovevano
decadere in positroni e neutrini nell’arco di circa 1033 anni
pari a circa centomila miliardi di miliardi di volte l’età dell’universo.
Comunque, osservando un numero sufficientemente grande di protoni, (circa
1033 ) è possibile osservare un decadimento in un periodo
di tempo ragionevole.
Attualmente non è stato osservato, ma è lecito pensare
che sia solo questione di tempo.
E’ altresì lecito supporre che chi vede questo fenomeno si aggiudichi
il prossimo premio Nobel.
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Questo è il decadimento più semplice che la SU(5) prevede per il protone. La particella X scambiata tra un quark up e un quark down del protone trasforma il quark down in un positrone. |
protone attualmente in fase di finalizzazione progettuale presso i Laboratori
del Gran Sasso che adotta una ragguardevole evoluzione della tecnologia
del rivelatore ICARUS.
Secondo esempio:
Il Monopolo magnetico
Sembra che secondo la GUT i monopoli magnetici debbano esistere ma
devono avere una massa enorme che per formarli richiedono una tale energia
che è disponibile solo nei primi istanti dell’universo; comunque
se si sono formati dovrebbero esistere tuttora e gli scienziati dovrebbero
vederli.
Il Fisico Blas Cabrera ideò un’apparecchiatura che avrebbe
prodotto una corrente elettrica se attraversata da un monopolo magnetico,
e nel 1982 osservò una tenue corrente.
Quella fu l’unica osservazione, né Cabrera né altri riuscirono
a ripetere l’esperimento per cui l’esistenza del monopolo magnetico rimane
in dubbio.
Comunque nel prossimo futuro l’acceleratore di particelle di Ginevra
il LEP verrà mandato in pensione causa 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.
Gli obiettivi del LHC saranno principalmente rivolti verso la ricerca
del bosone di Higgs, e particelle super-simmetriche, dimostrando la validità
dell’ipotesi di una simmetria più larga che mette sullo stesso piano
le particelle che costituiscono la materia e le particelle che trasportano
le forze elettromagnetiche, deboli e forti, ed infine molto audacemente
ricercare il nuovo stato della materia nucleare “plasma di quark”.
Queste sono opere di grandissima portata, scientifica, tecnologica
e sociale.
nella GUT anche la forza gravitazionale, che rimane l’unica forza fondamentale
a non avere una formulazione quantistica compiuta.
L’ unificazione di tutte le interazioni fondamentali, gravità
inclusa, è su un piano ancora 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. Nelle teorie supersimmetriche,
ciascuna delle particelle fa parte di un supermultipletto,
completato da altre particelle ancora da scoprire, i cosiddetti compagni
supersimmetrici.(futuro progetto di ricerca del LHC).
La teoria a cui è affidato il compito di unificare la gravità
con la meccanica quantistica prende il nome di Teoria M . (M.
J. Duff “Le scienze” 1998 n.358 pg 40).
Nel tentativo di dare una legittimazione alla teoria quantistica della
gravità, riporto un interessante lavoro condotto da tre fisici
russi M.V.Altaisky, V.A.Bednyakov, S.G.Kovalenko (1996) che riprendendo
il concetto delle Supercluster introdotto per la prima
volta da Einsten e ripreso da B.B.Mandelbrot (“The fractal geometry
of nature” 1983 Freeman) e in seguito da P.J.E.Peebles (“The Fractal
galaxy distribution ” 1989 nel “Fractals in physics” North-Holland).
Dato che l’universo esibisce una chiara struttura frattale, l’esempio
più convincente sono le Supercluster (ammassi di miliardi di galassie
contenute nei “cluster”). Questa gerarchia frattale può essere facilmente
riprodotta su scale subnucleari (10-13 cm).
Quantitativamente, la struttura frattale dell’universo può essere
descritta su larga scala, in termini di massa interna a una sfera di raggio
r. Essendo questa struttura invariante per riduzioni di scala (power
laws) è lecito pensare di poterla applicare anche su scale sub-nucleari
(questa è chiaramente un ipotesi molto audace e non del tutto chiara
!).
Comunque le osservazioni sulla radiazione di fondo dell’universo confermano
la struttura frattale di quest’ultimo, e quindi questa è una proprietà
fondamentale dello spazio-tempo fisico. (“la natura offre un grado
di complessità maggiore rispetto a quello che potremmo osservare
utilizzando la geometria Euclidea” , B.B.Mandelbroit)
Molto interessanti potrebbero essere gli ulteriori sviluppi della quantum
gravity su un supporto frattale.
Una descrizione della struttura frattale della gravità quantistica
si trova in Internat. Journal of Theoretical Physics, Vol 35, No.2,
p.253 1996
L’aspetto più interessante di queste teorie dell’unificazione
delle forze si manifesta nella sua applicazione alla cosmologia.
Infatti negli acceleratori di particelle ci si avvicina sempre più
(in termini di energia) a ciò che successe nei primi istanti di
vita del nostro universo.
La risoluzione del problema dell’infinitamente grande potrebbe venire
dallo studio dell’infinitamente piccolo.
E si potrebbe rispondere a domande del tipo: perchè il nostro
universo è fatto in questo modo? Per quale ragione vi è più
materia che anti-materia?
Il fisico russo Andrei Sakharov nel 1967 sosteneva che: è
possibile che durante l’espansione dell’universo, quando la temperatura
scese sotto i 1015 GeV, provocando la rottura di simmetria SU(5),
le particelle X (ancora da scoprire) sopravvissute abbiano prodotto più
quark che anti-quark.
Quindi una verifica, anche se indiretta, a favore della teoria dell’unificazione
delle forze della natura è l’esistenza stessa della materia in quanto
l’esistenza della materia è prevista della teoria.
Personalmente ritengo che sia indispensabile trovare il modo di risolvere
la complessa geometria e dinamica interna dei nuclei, per risolvere quell’apparente
paradosso che confina le forze forti in uno spazio ridotto e non pone limiti
per una forza debole come la gravità.
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P. Caldirola “Dalla microfisica alla macrofisica”; P.A.M. Dirac “Principi della meccanica quantistica”; R. Feynman “La legge fisica”; D. Perkins, “Introduction to High energy Physics”; B.R. Martin, G. Shaw, “Particle Physiscs”; D. Griffiths, “Introduction to elementary particles”; I.J.R. Aitchinson, “Gauge theory in particle physics”; T. Ferbel, “Experimental techniques in High Energy Physics” |
Raccolta di esperimenti (Lep3, Atlas, Zeus, ecc..) Modello Standard Supersimmetria IL MODELLO STANDARD E LE SUE VERIFICHE SPERIMENTALI Onde gravitazionali Consiglio caldamente di dare un’occhiata ai vari rapporti in italiano del CERN |