I quark costituiscono tutta la materia, ma non sono mai stati visti da soli. E hanno “sapori” e “colori” – anche se nessuno dei due termini ha alcuna attinenza con ciò che effettivamente fanno. Diamo un’occhiata al perché abbiamo bisogno dei quark per capire il mondo, e cosa significano effettivamente i loro “colori” e “sapori”.

Per molte persone, la domanda è: perché abbiamo bisogno dei quark? Questa domanda salta fuori spesso, specialmente quando le persone imparano che i quark non possono essere separati l’uno dall’altro e quindi non ne abbiamo mai visto uno da solo. Le particelle elementari come protoni e neutroni non sono sufficienti? Perché abbiamo bisogno di scomporle ulteriormente per capire l’universo?

La poesia del quark

I primi problemi con quelle che erano considerate particelle “fondamentali” iniziarono a sorgere negli anni ’60, quando gli scienziati che sparavano elettroni sulla materia li videro virare in direzioni diverse, apparentemente senza motivo. Osservando come e quando gli elettroni cambiavano direzione, gli scienziati conclusero che il nucleo doveva essere composto da parti più piccole, alcune delle quali venivano “investite” dagli elettroni. Queste parti erano più piccole dei protoni che gli scienziati sapevano essere nei nuclei atomici. Le parti, si resero conto, dovevano essere all’interno dei protoni stessi.

Questa era una buona notizia per gli scienziati che avevano cercato di semplificare quello che era diventato noto come uno ”zoo” di particelle. Nella prima parte del decennio, due fisici diversi, George Zweig e Murray Gell-Man, ipotizzarono per la prima volta che le particelle non erano elementari, ma erano composte da particelle diverse che portavano o un terzo o due terzi della carica di entrambe le particelle. Entrambi arrivarono all’idea di tre particelle elementari molto basilari che avrebbero costituito molte delle particelle che hanno proliferato così profondamente nella fisica. Zweig chiamò le particelle “assi”. Gell-Man le chiamò ”quark”, dopo aver letto Finnegans Wake di James Joyce e la poesia senza senso, ”Tre quark per Muster Mark”.

Questa nuova teoria funzionava molto bene nello spiegare la carica, lo spin e la massa. Ha aiutato a contestualizzare le diverse particelle subatomiche. Invece di un numero sconcertante di particelle elementari con proprietà diverse, ce n’erano solo tre, la cui combinazione costituiva la varietà di particelle che gli scienziati avevano scoperto. Era un po’ come la realizzazione che le molte sostanze nel mondo potevano essere comprese come combinazioni di un numero relativamente basso di atomi. Due diverse combinazioni di quark potevano comporre un protone o un neutrone proprio come due diverse combinazioni di atomi di idrogeno e ossigeno potevano comporre un’acqua o un acido. L’unico problema era che nessuno aveva alcuna prova dell’esistenza dei quark – fino a quando qualcosa all’interno dei protoni ha iniziato a far schizzare gli elettroni in direzioni casuali. Quando gli elettroni si dispersero, la teoria apparentemente superflua fu confermata.

Nei decenni successivi, altri quark furono aggiunti al sistema semplificato, portando il numero di quark a sei. Si scoprì perché non avevamo trovato nessun quark da solo. La forza che li tira insieme a coppie o a tre diventa più forte man mano che si allontanano l’uno dall’altro, come una banda elastica. Solo eventi di energia incredibilmente alta possono separarli anche per un breve periodo. I quark possono anche cambiare “sapore”. Mentre nessuno fino ad oggi ha mai “visto” un quark da solo, i risultati sperimentali e le proprietà osservate delle particelle corrispondono così perfettamente alla teoria della loro esistenza, e non corrispondono altrettanto bene a qualsiasi altra teoria, che gli scienziati sono soddisfatti della loro esistenza. Spiegano troppe cose troppo bene per non esserci da qualche parte.

I colori e i sapori

Il nome “quark” viene da una poesia senza senso, il che è abbastanza giusto – ma un rapido sguardo a un riassunto delle loro proprietà fa sembrare che il nonsenso non finisca con il nome. Sono disponibili in ”sapori”, il che, dato che non possono essere assaggiati, non significa nulla. Hanno colori, e il loro studio si chiama cromodinamica quantistica, ma è chiaro che non hanno nessun colore che possiamo effettivamente vedere. Cosa sono queste strane proprietà e perché devono essere nominati in proprietà che non hanno?

Come detto prima, i quark non si trovano da soli. Vagano in coppia, e certe coppie fanno sempre squadra. Le coppie sono le seguenti: su e giù, charm e strange, top e bottom. Il primo quark menzionato in ciascuna di queste coppie ha una carica di due terzi di un’unità di protone. Il secondo quark in ogni coppia ha una carica di un terzo negativo. Nella teoria originale, due quark up e un quark down si sommano per fare una carica di uno positivo – o un protone. Due down e un up hanno cariche che si sommano a zero, e fanno i neutroni. Ma se tre quark hanno due terzi di carica positiva e tre quark hanno un terzo di carica negativa, allora perché non ci sono solo due quark in totale? Qual è la differenza? Ognuno dei quark ha una massa leggermente diversa. Questo è il motivo per cui i protoni e i neutroni, quando sono stati studiati, sono stati trovati con masse leggermente diverse. La diversa combinazione di quark ha dato loro una massa diversa. Questa combinazione di carica e massa, così come alcune altre qualità esoteriche, costituiscono il ”sapore” di ogni quark. Per quanto riguarda il motivo per cui non possono essere chiamati semplicemente ”tipi” – forse dovremmo chiedere a James Joyce.

I colori sono un altro tocco sui quark. Sono una combinazione di necessità teorica ed evidenza sperimentale. I quark sono schiacciati insieme in uno spazio molto piccolo, e il principio di esclusione di Pauli afferma che due particelle non possono esistere nello stesso stato allo stesso tempo. Due quark up non dovrebbero poter stare nello stesso protone. Qualcosa doveva essere diverso. Entrare nei ”colori” dei quark. I quark blu, rossi e verdi esistono in ogni sapore. Si uniscono per formare particelle incolori – analogamente al modo in cui molte luci colorate diverse si fondono insieme per formare una luce bianca incolore. Questo potrebbe essere stato considerato solo un fattore di aggiustamento per la fisica, ma le collisioni sperimentali di elettroni e antiprotoni hanno indicato che ci sono tre volte più tipi di quark di quanti ce ne sarebbero basati solo sui ”sapori”

In definitiva, i quark sono così misteriosi perché le loro proprietà non hanno nulla a che vedere con ciò che sperimentiamo nel macro-mondo, eppure sono nominati per proprietà che ci sono perfettamente familiari. Tradurre tra un colore come lo vediamo e un colore, come in un modo di essere dettato da risultati matematici e sperimentali, è disorientante. Il modo migliore per capire i quark è capire che, piuttosto che essere esotici, servono come un modo per organizzare e semplificare il tentacolare mondo subatomico. Sono una specie di tavola periodica degli elementi – per gli elementi. Gli scienziati troveranno qualcosa di più piccolo? Chi lo sa, ma se lo fanno, speriamo che gli diano il nome di qualcosa di Jabberwocky. Mi piacerebbe vedere una lezione di fisica su “mome raths.”

Immagine in alto: Yarnalgo
Immagine parziale: Io9
Tabella dei quark: MissMJ

Via NASA due volte, Hyperphysics tre volte, Particle Adventure, e Duke.