Fisicamente

di Roberto Renzetti

I rivelatori di particelle (cenni).

          Citerò solo gli apparati più semplici e noti.

Il contatore a scintillazione: conta ogni piccolo lampo emesso da una particella quando quest’ultima attraversa materiali particolari.

II contatore Cerenkov: conta solo le particelle che hanno una determinata velocità

La camera a scintille:  ponendo due placche metalliche in un mezzo gassoso, placche che siano assai vicine tra loro, ed applicando tra esse una forte tensione, al passaggio di una particella ionizzante, cioè elettrizzate,  scocca una piccola scintilla. Collegando insieme più camere è possibile seguire la traiettoria della particella con mezzi ottici o elettronici.

La camera a nebbia:  si pone un gas  in un contenitore;  si fa quindi  espandere rapidamente il volume del contenitore per produrre un rapido raffreddamento del gas, aumentando così l’umidità oltre il 100%. Quando una particella carica passa attraverso la camera, si producono goccioline attorno agli ioni che produce e la traccia lasciata dalla particella può essere fotografata.

La camera a bolle: simile ad una camera a nebbia, solo che usa un liquido mantenuto vicino al suo punto di ebollizione. Si riduce di colpo la pressione in modo che la temperatura del liquido sia superiore a quella di ebollizione a quella data pressione.  Ma l’istante dell’abbassamento di pressione è tale che l’ebollizione inizia solo a causa degli ioni originati da particelle che passano in quel momento. In quello stesso istante si illumina al camera per fotografare la scia di bollicine. La camera a bolle, a causa della maggiore densità di un liquido rispetto ad un gas, è in grado di registrare un numero maggiore di eventi.

Oltre ai rivelatori accennati ve ne sono moltissimi altri dei più svariati tipi (emulsioni fotografiche, camera di Wilson, …) ma noi ci accontenteremo ora di dare solo una lontana idea dell’incredibile livello di sofisticazione che si è raggiunto in questi strumenti, accennando ad alcuni dati relativi ai rivelatori che sono stati realizzati appositamente per le esperienze di Carlo Rubbia. Essi sono chiamati UA 1 ed UA 2 (si veda la figura penultima per localizzarli nell’SPS).

Il rivelatore UA 1, pensato al CERN, è stato realizzato dal lavoro di équipe di più di 100 fisici di 11 istituzioni scientifiche (tra questi, 11 appartenevano all’università di Roma ed erano diretti da Giorgio Salvini). Questo strumento è lungo 10 m, è largo 5 ed è alto 10. Pesa 2.000 tonnellate. Il volume utile all’osservazione di particelle cariche e’ 6 x 3 x 3 metri cubi. Dentro il volume totale vi sono circa 20.000 cavi collegati a 40.000 amplificatori (per captare i segnali lasciati dalle particelle cariche). II rivelatore è dotato di uno dei più grandi magneti esistenti al mondo. La  foto seguente può dare un poco il senso delle dimensioni.

Il rivelatore UA 2 è un poco più piccolo di UA 1 ed è destinato alla rivelazione proprio dei bosoni vettori intermedi. Questo rivelatore è privo di campi magnetici. Ad esso, tra i molti altri, hanno lavorato fisici dell’Università di Pavia. Anche qui, la foto può fornire una idea delle dimensioni.

Il rivelatore UA 1 ha permesso, nel luglio del 1984,  la scoperta del quark verità, il sesto quark che mancava all’appello nonostante fosse cercato da vari anni. Questo quark ha una massa compresa tra le 30  e le 50 volte quella del protone; ciò spiega perché, fino ad ora, era sfuggito ad ogni ricerca: non si disponeva dell’energia sufficiente. Con l’SPS, fatto funzionare come ADA, con AA, con UA 1 e con una équipe  imponente di fisici di tutta Europa, Carlo Rubbia è riuscito nell’impresa. Una cosa deve essere osservata: tra le centinaia di milioni di eventi registrati da UA 1 ed UA 2, sono venuti fuori fenomeni strani, strane reazioni che non paiono essere spiegabili con nessuna delle teorie di cui disponiamo. Aspettiamo di saperne di più, per intanto questi strani eventi sono stati chiamati exotics.

Accenno solo che, per ulteriori esperienze con il LEP sono in fase avanzata di realizzazione altri rivelatori, ancora più potenti, come Opal, Aleph, L3 e Delphi.

L’interazione elettro-debole e l’esperienza di Rubbia.

          La. scoperta fatta dal gruppo di ricercatori (121) diretti da Carlo Rubbia (gennaio 1983) dei bosoni vettori intermedi W , W  e Z° conferma  la  validità  della teoria elettrodebole elaborata principalmente da Weinberg e da Salam. Diciamo subito che parlare di teoria elettrodebole, equivale a dire che si è giunti, sia per via teorica che sperimentale, all’unificazione dell’interazione elettromagnetica con l’interazione debole. E ciò vuol dire che da questo momento in poi non si dovrà più parlare delle quattro interazioni fondamentali, ma delle tre interazioni fondamentali: quella gravitazionale, quella elettrodebole, quella forte.

           All’unificazione fatta da Newton dei fenomeni gravitazionali (un sasso che cade è la stessa cosa della Terra che orbita intorno al Sole), a cui si aggiunsero i lavori di Relatività Generale di Einstein; all’unificazione fatta da Maxwell tra fenomeni elettrici, magnetici e luminosi (la luce è un’onda elettromagnetica), a cui si aggiunsero le elaborazioni dell’Elettrodinamica Quantistica (l’introduzione della quantizzazione dei campi); a queste unificazioni si aggiunge ora l’unificazione tra forza elettromagnetica e forza, debole (forza elettrodebole) realizzata da Weinberg e Salam (per la parte teorica) e da Rubbia (per la parte sperimentale).

           La teoria di  Weinberg e Salam è molto complessa ed al nostro  livello non possiamo far nulla per avvicinarci ad essa. Qualcosa possiamo però dirla con la speranza che aiuti sulla strada della comprensione. Innanzitutto ricordiamo le caratteristiche essenziali dell’interazione debole, aggiungendo qualche considerazione più precisa.

           Tutti i processi nei quali si osserva interazione debole sono sostanzialmente  divisibili in due gruppi fondamentali:

1) quelli nei quali c’è un cambiamento di una unità nella carica elettrica, tipici del decadimento beta

Questi processi sono anche conosciuti come correnti cariche.

2) quelli nei quali non c’è alcun cambio nella carica elettrica, tipici della dispersione di neutroni

Questi processi sono anche conosciuti come correnti neutre.

Qualunque sia, comunque, il processo di interazione debole in oggetto, è interessante osservare che in esso intervengono sempre 4 fermioni: nel primo caso un fermione si trasforma in tre fermioni, nel secondo due fermioni originano altri due fermioni. Altro fatto notevole è che l’intensità dell’interazione debole è condizionata dal valore di una costante chiamata costante di interazione debole o costante di Fermi. Fin qui nulla di strano: anche l’intensità dell’interazione elettromagnetica è determinata da una costante, detta di struttura fine; allo stesso modo anche l’intensità dell’interazione tra quarks (interazione forte) è determinato da un’altra costante [quanto sto dicendo non stupisca nessuno: nella gravitazione universale c’è da considerare la costante gravitazionale G; nella legge di Coulomb c’è da considerare la costante K]. Osserviamo subito che i valori di queste costanti determinano la forza o la debolezza di una interazione. Ebbene, allora qual è la difficoltà ? E’ che, mentre la costante che compare nella interazione elettromagnetica, allo stesso modo di quella che compare nell’interazione forte, è priva di dimensioni, quella di Fermi ha dimensioni ! Più precisamente ha le dimensioni dell’inverso di una energia elevata al quadrato! (294 GeV)-2  . Questo valore di energia ha allora un significato particolare: al di sopra di essa non dovrebbe più aver senso parlare di interazione debole ma di un qualcosa di diverso. Veniamo ora a considerare una tipica interazione elettromagnetica: l’interazione di due elettroni. L’abbiamo già vista: due elettroni si avvicinano tra loro; ad un certo punto avviene l’interazione mediante lo scambio di un fotone; quindi gli elettroni si allontanano dal luogo dell’interazione. Anche qui le cose vanno come nell’interazione debole; si hanno complessivamente 4 fermioni. Ma c’è una cosa in più: questa volta compare un fotone che, ricordiamolo, è una particella priva di massa, definibile come bosone vettore (ha spin 1) intermedio. Riprendiamo di nuovo in mano il decadimento beta. Forse che è possibi le darne una descrizione analoga a quella dell’interazione elettromagnetica ? Ciò che manca è il bosone vettore intermedio. Proviamo a metterlo e vediamo 

cosa succede. Il neutrone si disintegra in un protone ed in un bosone vettore intermedio W  (virtuale, analogamente al fotone dell’interazione elettromagnetica); quest’ultimo si disintegra a sua volta ed in tempi brevissimi in un elettrone ed in un antineutrino dell’elettrone. Tutto va come nell’interazione elettromagnetica: si deve solo sostituire il fotone con la W   e tener conto che il fotone non ha carica elettrica, contrariamente al W  . Ma c’è di più: la massa. Vedremo tra un poco che essa gioca un ruolo importante. 

            Cosa si può dire invece delle correnti deboli neutre (il secondo tipo di interazione debole) ? In questo caso nell’interazione tra il neutrino dell’elettrone e l’elettrone, poiché non compaiono nuove particelle, si dovrà considerare un bosone vettore intermedio privo di carica, Z°.          

           Descrivendo così le cose tutto si semplifica molto: ora l’interazione debole può essere pensata come l’interazione, non più tra 4 fermioni, ma tra i fermioni ed un bosone (allo stesso modo che l’interazione elettromagnetica). Ebbene, in questo nuovo modo di vedere le cose, la costante di interazione debole (di Fermi) diventa un’altra cosa: perde ora le sue dimensioni. E dove è andata a finire questa energia, quella che si trovava nella costante di interazione debole di Fermi ? Nella massa del bosone vettore intermedio. Nell’interazione elettrodebole, infatti, i bosoni W e Z hanno massa ed anche molto grande (come abbiamo visto). Questa massa deve essere in relazione con la costante di Fermi: la massa-energia di 240 Gev che abbiamo menzionato prima, deve essere uguale alla massa del bosone divisa per la nuova costante di interazione tra i fermioni ed i bosoni. Dipende dal valore di questa ultima costante il valore della massa dei  bosoni  W e Z.  E poiché non si  sapeva  nulla fino al  gennaio ’83 dell’esistenza sperimentale dei bosoni, non si sapeva neanche quale valore potesse avere la costante di interazione tra bosoni e fermioni nell’interazione debole. Nasceva così una incertezza sul valore di massa di W e Z°. Una incertezza  sui valori di massa comportava una incertezza sui valori di energia che occorreva utilizzare per localizzare questi bosoni. Era certo che con le più piccole energie precedentemente usate i W e Z° non davano traccia di sé. Si sapeva quindi che, se la teoria era corretta,  occorreva salire in energia e, conseguentemente, che la massa dei ricercati era sempre più grande. Finalmente ai 540 GeV del CERN questi bosoni sono saltati fuori e con masse enormi, fuori di ogni precedente aspettativa (ci si aspettavano masse intorno alle 40 volte quella del protone, si sono trovate masse doppie di quelle aspettate).

            A questo punto si può affermare che: ambedue le interazioni (elettromagnetica e debole) sono trasmesse da bosoni vettori intermedi, ambedue sono caratterizzate da una costante universale. Le differenze che invece esistono tra le due interazioni riguardano la massa dei bosoni in gioco (da una parte il fotone non ha massa, dall’altra i W e Z° hanno una massa molto grande) e l’intensità dell’interazione (quella debole, molto più debole di quella elettromagnetica).

            Come mettere insieme i due tipi di interazione ?  

            Si tratta, innanzitutto, di disporre complessivamente di 4 bosoni che trasmettano le interazioni:  il fotone,  il  Z°,  il W+ ed il W . Il gruppo quindi degli oggetti a nostra disposizione per la trasmissione delle interazioni si amplia [con la conseguenza che anche la matematica che deve descrivere la situazione diventa più complessa; ora, al gruppo unitario U(l) che descriveva il fotone, dovremo aggiungere  il gruppo SU(2) che descrive i due bosoni W e Z, di modo che otteniamo il gruppo complessivo dato dal prodotto dei due gruppi di partenza: U(l) x SU(2)]. Tra i quattro bosoni di partenza, due sono dotati di carica (W+ e W ) e due no (Z° e fotone). Con considerazioni legate alla simmetria di questo gruppo di 4 bosoni si scopre che essi possono venir descritti contemporaneamente in una unica teoria. La relazione più importante, all’interno di questa teoria, la hanno il fotone con il bosone Z°: nessuno dei due può esistere senza l’altro. Inoltre l’interazione dei bosoni W e Z° con altre particelle viene essenzialmente descritta da una interazione elettromagnetica..             .

           Per i nostri fini è sufficiente fermarsi qui. Ma nessuno si illuda, le cose sono enormemente complesse, soprattutto alla luce della gran mole di matematica che è in gioco.

           Resta solo da accennare ad una delle previsioni della teoria elettrodebole: il decadimento del protone. Questa particella fino ad ora ritenuta stabile, secondo questa nuova teoria, dovrebbe essere instabile, anche se con un tempo di decadimento mostruosamente grande: 1037 anni!

           Già su questa strada ci si muove in varie parti del mondo; si cercano protoni che decadano. Uno dei laboratori più avanzati in questo campo è quello situato sotto la vetta del Monte Bianco, a 5.000 m sotto la vetta. Il gruppo di ricerca che vi lavora, è il Nusex, al quale collaborano fisici dell’Infn di Frascati e di Milano, dell’Università di Milano e del CNR di Torino, diretti da  Ettore Fiorini. Fino ad ora sembra si sia registrato un solo evento di decadimento di un protone, ma non basta; ce ne vogliono almeno due. Ciò che appare sconcertante è che, se da una parte questo supposto evento discende dalla teoria elettrodebole, dall’altra la nega per il modo di decadimento. Quest’ultimo sembra più in accordo con altre teorie del tipo Supersimmetria. o Supergravità. Non resta che aspettare per cercare di capire come vanno le cose. La fisica è un campo sempre aperto: non vi sono mai verità definitive.

           In conclusione si può dire che, anche se a tutt’oggi (1985) non possediamo nessuna teoria che unifichi tutte le interazioni, certamente siamo sulla buona strada; disponiamo di una teoria elettrodebole e di svariati indizi che sembrano preludere ad una unificazione ulteriore con la forza forte (tramite i quarks che scambierebbero anch’essi bosoni vettori intermedi). Incredibilmente l’interazione più antica, la gravitazionale, è la più difficile da essere messa in riga. Intanto manca ancora l’evidenza sperimentale del gravitone, che viene assiduamente cercato (anche qui, oltre al gruppo di Weber negli Usa, è in primo piano il gruppo di Arnaldi – ora scomparso – a Frascati).

           Un’osservazione è d’obbligo: queste ricerche sono molto costose (incredibilmente!). Al di là dei facili e giustificati entusiasmi, un dubbio potrebbe insinuarsi nella mente del cittadino: a che serve ? La risposta è a ciascuno di noi; basti solo osservare che le ricadute, anche se molto mediate, sono enormi. Chi avrebbe potuto pensare solo pochi anni fa che gli acceleratori lineari sono un efficace strumento contro i tumori? Chi avrebbe potuto pensare che dai più strani effetti studiati in fisica sarebbero poi discese le radiografie, le ecografie, le sonde a fibra ottica, le risonanze magnetico-nucleari, le TAC, … Insomma, lavorare in questi campi, apre alla conoscenza non solo dell’infinitamente piccolo ma anche della costituzione dell’universo, con una montagna di tecnologia che si realizza lungo la strada e che fornisce fall-out.

           Un’ultima considerazione è relativa al perché le tre forze fondamentali della natura ci si manifestano in modi così differenti (escludendo in queste discorso la gravitazione):

Le differenze sono sensibili principalmente perché oggi l’universo è molto freddo e quindi le particelle in generale hanno bassa energia. Se si potessero eseguire esperimenti ad energia estremamente alta, l’unificazione diventerebbe chiara in tutta la sua semplicità. I leptoni ed i quarks si trasformerebbero liberamente gli uni negli altri e le tre forze avrebbero tutte la stessa intensità. Si è calcolato che l’energia necessaria per poter vedere l’unificazione delle particelle e delle forze in questa forma drammatica è di circa 1015 GeV.” (H. Georgi, su Le Scienze n° 154, pag. 56).

                                              BIBLIOGRAFIA

Yang – La scoperta delle particelle elementari – Boringhieri 1969.

Tolansky – Introduzione alla fisica atomica. – Boringhieri 1966.

Segré – Nuclei e particelle – Zanichelli 1966.

Gouiran – Particelle ed acceleratori – II saggiatore 1967.

Ford – Fisica delle particelle – EST Mondadori 1965.

H. Fritzsch –  Quarks – Urstoff unserer Welt – Piper & Co. Verlag, Munchen 1981.

Baracca, Bergia – La spirale delle alte energie – Bompiani 1975.

Quercia – Gli acceleratori di particelle – Cappelli 1961.

Weinberg – La scoperta delle particelle subatomiche – Zanichelli 1986.

AA.VV. – Le particelle fondamentali – Letture da Le Scienze (l98l).

Cline, Rubbia, Van der Meer – Alla ricerca dei bosoni vettori intermedi – Le Scienze n° 165.

Ishikawa – Glusfere – Le Scienze n° 173.

Rebbi – Reticoli e confinamento dei quarks – Le Scienze n° 176.

Harari – La struttura dei quarks e dei leptoni – Le scienze n° 178.

Mistry, Poling, Thorndilce – Particelle dotate di bellezza nuda – Le Scienze n° 181.

Vi sono poi moltissimi altri articoli su Le Scienze che sono di grande interesse e per la cui lettura, oltre ai prerequisiti che sono almeno ciò che qui ho provato a scrivere, serve la preparazione di un bravo ed interessato studente di liceo scientifico.

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