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Cos’è la fisica delle particelle e cosa studia?

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La fisica delle particelle è la branca fisica che mira a fornire risposte a quesiti che riguardano la composizione della materia.

Quali sono i componenti della materia e come interagiscono tra di loro?
Quali sono le origini dell’universo e quali sono i principi per i quali avvengono i fenomeni che lo regolano?
Cosa sono le particelle elementari e come si comportano all’interno della materia?

Si tratta di alcune delle domande a cui da secoli l’uomo tenta di dare risposta, attraverso studi ed esperimenti che grazie al progresso e alle nuove scoperte diventano sempre più evoluti e precisi.

La materia esercita un forte fascino sui giovani, e in generale su tutti gli appassionati della fisica; essa fornisce le basi teoriche per i futuri ingegneri e fisici.
Non a caso rientra tra le discipline della facoltà di ingegneria a Napoli.

Ecco perché abbiamo deciso di approfondire l’argomento in questo post, nel corso del quale cercheremo di spiegare in maniera semplice e sintetica la fisica delle particelle.

Cosa sono le particelle in fisica

Per comprendere la fisica delle particelle è necessario capire cos’è una particella.

Wikipedia, sul suo sito, fornisce la seguente definizione:

“In fisica una particella è un costituente microscopico della materia. Le particelle si suddividono in elementari e non elementari: le prime, descritte dal modello standard, sono considerate indivisibili, le seconde sono aggregati delle prime.”

In altre parole, le particelle elementari sono le più semplici, ovvero i componenti primi della materia che non possono essere scomposte in altre particelle.

Le particelle non elementari sono invece composti di particelle elementari.

Secondo il ‘modello standard’ che approfondiremo nel corso del prossimo paragrafo, le particelle elementari interagiscono tra loro attraverso le 4 forze fondamentali della natura:

  1. Forza elettromagnetica
  2. Forza debole
  3. Forza forte
  4. Forza gravitazionale (esclusa dal modello standard)

Le particelle elementari si dividono in due gruppi:

  • Fermioni (quark e leptoni): con spin semi-intero
    Sono i costituenti della materia, i mattoncini che formano le particelle non elementari
  • Bosoni: con spin intero
    Sono le particelle che fungono da collante, ovvero da mediatrici delle interazioni fondamentali

Per chiarire ulteriormente: lo spin identifica una proprietà fisica della particella interpretabile come una rotazione su se stessa.
Lo spin influenza il comportamento delle particelle.

L’interazione tra fermioni può essere descritta in termini di scambio di bosoni. Questi ultimi per la funzione che svolgono vengono detti bosoni mediatori (o di gauge).

In particolare i bosoni del Modello Standard vengono suddivisi in: fotoni (mediatori dell’interazione elettromagnetica), bosoni W e Z (mediatori della forza debole) e gluoni (mediatori della forza forte).

Cos’è la fisica delle particelle?

Partiamo come al solito dalla definizione che ci aiuterà a prendere confidenza con l’argomento.
Il sito di Wikipedia riporta quanto segue:

“La fisica delle particelle è la branca (sperimentale e teorica) della fisica moderna che studia i costituenti e le interazioni fondamentali della materia e della radiazione.”

Detta anche ‘fisica delle alte energie’ la materia studia i costituenti fondamentali della materia, ossia le particelle elementari.

L’origine della fisica delle particelle risale ai filosofi greci, e più in particolare alla teoria atomica di Democrito.

Con l’avvento del metodo scientifico inizia l’era sperimentale della materia.
Tra i pionieri Rutherford, che si dedicò allo studio e alla comprensione della struttura dell’atomo arrivando a scoprire l’esistenza del nucelo atomico, e Thomson, al quale si deve la scoperta dell’elettrone.

Vengono quindi distinte due diverse branche della fisica: la fisica delle particelle elementari e la fisica nucleare (focalizzata sulla comprensione del nucleo atomico).

Attraverso l’uso degli acceleratori è stato possibile fare ulteriori scoperte.
Tra gli anni ‘30 e ‘50 del secolo scorso sono state scoperte una moltitudine di particelle, classificate secondo il modello ‘quark’.

Successivamente viene sviluppato il modello ‘standard’ finalizzato a comprendere la composizione della materia, ovvero a descrivere i mattoni che la compongono e in che modo interagiscono tra loro.

Nel modello standard è racchiusa tutta la conoscenza sulle particelle fondamentali della materia, che si dividono in due gruppi:

  • Quark
  • Leptoni

Entrando maggiormente nel dettaglio, cerchiamo di capire cosa sono.

I leptoni sono particelle subatomiche che non si legano con altre.
Non sono soggetti ad interazioni forti ma intervengono nelle interazioni elettromagnetiche, nucleari semplici e gravitazionali.

I quark (simobolo ‘q’) sono i costituenti fondamentali della materia; sono le particelle considerate indivisibili che compongono i protoni e i neutroni (nucleone = nucleo di un atomo). Sono carichi elettricamente (carica positiva o negativa), hanno una massa e prendono parte a tutte le interazioni: elettromagnetica, forte, debole e gravitazionale.

 Ogni gruppo è costituito a sua volta da 6 elementi, detti ‘sapori’ (o flavour).

I sei sapori dei quark sono: Up, Down, Strange, Beauty, Charm, Top.
I sei sapori dei leptoni sono: Elettrone, Neutrino elettronico, Muone, Neutrino muonico, Tauone, Neutrino tauonico.

Ora hai sicuramente un’idea più chiara della fisica delle particelle, ovvero disponi delle basi per poter affrontare lo studio della materia e approfondirne i vari aspetti per un’eventuale applicazione professionale.

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Credits immagine: DepositPhoto.com/denisismagilov

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