Fisica nucleare e subnucleare/La fisica subnucleare

Ciò di cui si occupa la fisica delle particelle elementari è cercare di capire quali sono i costituenti ultimi della materia. Il nucleo, come abbiamo visto, è un sistema complesso, composto da particelle dette nucleoni. Tuttavia, col tempo si è capito che i nucleoni non sono particelle elementari, ma costituiti da altre particelle, dette quark. Caratteristica principale dei quark è quella di avere carica frazionaria (come 1/3 o -2/3, ad esempio); tuttavia, i quark non possono esistere liberi per via delle caratteristiche della forza che li lega all'interno di un nucleone, e sono raggruppati sempre in modo da costituire particelle di carica nulla $\pm 1$. A oggi, i quark sembrano non avere struttura interna, e pertanto sembrano essere i costituenti fondamentali della materia. Esistono sei tipi di quark: i primi a essere stati scoperti sono l'up e il down (che sono i quark che costituiscono i nucleoni), ai quali seguono lo strange (il nome deriva dal fatto che sono stati introdotti per spiegare il comportamento "strano" dei kaoni) e lo charm, e poi infine il top e il bottom. La materia ordinaria è composta da questi sei quark.

Esistono anche tre particelle, ossia l'elettrone, il muone e il tau, che risultano indivisibili; alla stessa famiglia (detta dei leptoni) appartengono i neutrini (elettronico, muonico e tauonico). Queste particelle hanno portato grande scompiglio all'interno del modello standard (ossia l'attuale modello che descrive le caratteristiche delle particelle elementari), perché teoricamente non dovrebbero avere massa, anche se in realtà sembra che ce l'abbiano. Quark e leptoni sono tutti fermioni.

Fra le particelle elementari esistono poi anche quattro bosoni che sono i mediatori delle interazioni fondamentali: i fotoni (radiazione elettromagnetica), i gluoni (interazione forte) e i bosoni $Z^{0}$ e $W^{\pm }$ (interazione debole). Esistono poi altri due bosoni: il bosone di Higgs (recentemente scoperto) e il gravitone (quest'ultimo non ancora trovato). Se non si introduce il bosone di Higgs, le interazioni avvengono, nel modello standard, fra particelle senza massa, e dunque fino a qualche tempo fa non si riusciva a capire come le particelle potessero avere massa. Il bosone di Higgs porta a una rottura spontanea di simmetria, che permette di dare massa alle particelle. Il gravitone, poi, dovrebbe essere il bosone responsabile dell'interazione gravitazionale; la questione però è ancora aperta, in quanto non si riesce a quantizzare la gravità. Il fotone è l'unico bosone che, accoppiandosi al campo di Higgs, resta privo di massa. In realtà anche il gluone ha questa caratteristica, ma il gluone esiste come un ottetto (esistono otto tipi di gluoni), perché l'interazione fondamentale ha un nuovo numero quantico, detto colore.

Queste sono, a oggi, le uniche particelle elementari che conosciamo, anche se già sappiamo che non bastano per spiegare tutto.

Le interazioni elettromagnetica e debole sono state unificate, ossia ad alte energie risultano la stessa forza (la loro lagrangiana è la stessa). A temperature più basse questa lagrangiana si "rompe", e si "manifesta" sotto forma di due forze diverse. La differenza fondamentale fra interazione forte ed elettromagnetica è che il colore dei gluoni permette loro di interagire: il campo interagisce con se stesso (al contrario del campo elettromagnetico, visto che i fotoni non hanno carica e quindi non interagiscono fra loro).

Noi, per ovvie ragioni, non ci occuperemo mai dell'interazione gravitazionale.

Ci sono poi molte differenze fra l'interazione elettrodebole e quella forte: l'elettrodebole diminuisce al crescere della distanza, mentre quella forte cresce al crescere della distanza; l'attrazione fra due quark è talmente forte che se cerchiamo di separarne due, questi si "spaccano" creando nuove particelle ("confinamento" dei quark).