Secondo la fisica quantistica tutto ciò che esiste è fatto di particelle. La materia, la luce, le cose visibili e invisibili. Queste sono tutte particelle e controllano il funzionamento dell'intero universo. Alcuni di essi sono comuni e ben noti alla maggior parte di noi, come gli elettroni. Altri sono un po’ più insoliti, come i quark. Ma l’idea di base di ogni particella è che sia una cosa elementare fatta di nient’altro. Puoi scomporre un atomo in protoni, neutroni ed elettroni. Ma non puoi spezzare una particella in qualcos'altro. Con questo in mente, diamo un'occhiata ad alcune delle scoperte più sorprendenti che la scienza ha fatto, o almeno pensa di aver fatto.
10. Particella di Dio
Quando gli scienziati chiamano qualcosa una particella di Dio, in realtà la chiamano qualcosa di più di un semplice "di più". Per essere onesti, il nome corretto per la particella è bosone di Higgs, ma il fisico Leon Lederman ha inventato un soprannome più colorito perché convincere i media a interessarsi alle particelle non è così facile.
L'esistenza del bosone di Higgs è stata confermata nel 2013. Tuttavia, è stato teorizzato negli anni ’60, quindi la caccia si è trascinata. Stephen Hawking una volta scommise 100 dollari che non sarebbe mai stato scoperto e si bruciò. Ha anche dichiarato pubblicamente che il bosone di Higgs un giorno distruggerà l'universo, quindi segnatelo sui vostri calendari.
Con tutto questo accumulo, devi immaginare che il bosone di Higgs sia davvero sorprendente, e la verità è che sì, il bosone di Higgs è meraviglioso. Tuttavia, ci vuole un po' di tempo per capirlo, quindi proviamolo.
Un bosone è una particella fondamentale. I bosoni sono responsabili di tutte le forze fondamentali dell’Universo, cose come l’elettromagnetismo, la forza nucleare debole e forte.
Il campo di Higgs è un campo energetico che conferisce massa ad altre particelle come gli elettroni. In poche parole, i bosoni di Higgs sono in parte responsabili della creazione della massa di particelle nell’Universo. Il bosone stesso ha una massa elevata, ma ha vita breve, quindi è difficile da trovare in natura. Ma la sua esistenza conferma molto di ciò che sappiamo sul Modello Standard della fisica e aiuta a spiegare perché esiste una particella. Potrebbe anche aiutare a spiegare la materia oscura e identificare ancora più particelle che non conosciamo o comprendiamo.
Strano, Lederman tecnicamente non la chiamava particella di Dio. La chiamò la maledetta particella perché era deluso da quanto fosse difficile rilevarla. Il suo editore ha cambiato nome.
9. Tetraquark
I quark sono più facilmente intesi come i più piccoli pezzi di materia. Un pezzo di ferro è formato da atomi di ferro. Questi atomi sono costituiti da cose come elettroni e protoni. Ma anche se li smontassi, rimarresti comunque con i quark. Hanno massa e rotazione e sono disponibili in sei tipi, chiamati stranamente "sapori". Questi profumi sono raggruppati in coppie chiamate sopra e sotto, sopra e sotto, affascinanti e strane. Strano, vero? Bene, questo diventa più strano.
Nel 2021, gli scienziati hanno scoperto il tetraquark, un adrone esotico composto da due quark e due antiquark. Prima della sua scoperta, questo era considerato impossibile. L’idea che le particelle potessero legarsi tra loro non era considerata un’opzione, ma i dati del Large Hadron Collider hanno dimostrato il contrario.
La scoperta del tetraquark fornirà ai ricercatori diversi nuovi strumenti per comprendere meglio la forza forte che lega insieme i quark per formare neutroni e protoni.
8. Neutrino
Se hai guardato qualche film di fantascienza negli ultimi decenni, hai sentito la parola "neutrino" menzionata più di qualche volta. È popolare e, anche se la maggior parte di noi non conosce la scienza, sembra comunque interessante.
Nella vita reale, i neutrini hanno un’esistenza molto più intensa di quanto la maggior parte di noi possa immaginare. Si tratta di particelle subatomiche nate da cataclismi galattici, come stelle che esplodono. Si muovono quasi alla velocità della luce, e buona fortuna a fermarne uno, perché possono passare attraverso quello che sembra essere piombo con la stessa facilità con cui passi attraverso una porta aperta.
La massa dei neutrini è sorprendentemente piccola. I numeri usati per descriverlo non significano nulla se non hai già solide basi in fisica. Tuttavia sono circa 500.000 volte più piccoli di un elettrone. Ma, a differenza degli elettroni, non hanno carica elettrica. Quindi, senza massa e senza carica, i neutrini quasi non esistono affatto. Ma sono anche ovunque. Il sole ti bombarda con circa un miliardo di essi ogni secondo.
Il fatto che i neutrini abbiano una certa massa, sebbene possa essere microscopica, può spiegare tutta la massa dell’universo e perché intorno a noi c’è materia e non antimateria.
7. Muoni
Come i quark, i muoni sono una delle particelle fondamentali dell'esistenza. Sono simili agli elettroni, ma sono più grandi e pesano 207 volte di più. Hanno vita molto breve e decadono in elettroni e neutrini entro 2,2 microsecondi dalla loro formazione. Si creano quando i raggi cosmici si scontrano con le particelle della nostra atmosfera, e in quei 2,2 microsecondi riescono a bombardare la terra e a penetrare circa un miglio sotto la superficie grazie al fatto che viaggiano quasi alla velocità della luce.
La ricerca presso il Large Hadron Collider ha dimostrato che i muoni non sempre fanno ciò che la scienza dice che dovrebbero fare. In termini semplici, oscillano. Ma non dovrebbero. E il fatto che oscillino indica che potrebbe esserci un'altra particella a cui nessuno aveva nemmeno pensato e che influenza il modo in cui funzionano.
6. Quark
Abbiamo già menzionato il tetraquark, quindi ha senso scomporlo in un semplice quark. Se dividi cose come protoni e neutroni, ottieni quark e gluoni. Esistono sei tipi di quark ed esistono sempre in coppia. In effetti, gli scienziati hanno già provato a separare un quark dall'altra metà, e semplicemente non ha funzionato. O sono connessi oppure non lo sono affatto.
Il modo in cui interagiscono quark e gluoni è la fonte della massa negli atomi. Fondamentalmente questo significa che tutta la massa della materia, come la intendiamo noi, proviene da quark e gluoni. A differenza della maggior parte delle particelle, descritte come dotate di carica positiva, negativa o neutra, i quark vanno oltre. Sono anche descritti come aventi una carica di colore, che viene definita cromodinamica quantistica. Questo applica i colori teorici del rosso, del blu o del verde (in realtà non sono questi colori) per descrivere le loro proprietà quantistiche uniche.
5. Gravitoni
La scienza riconosce quattro forze fondamentali all’opera nell’universo. Forze nucleari deboli e forti, elettromagnetismo e gravità. Nella maggior parte dei casi affrontiamo più o meno i primi tre. La gravità, tuttavia, è un po’ un jolly.
Comprendiamo come i fotoni interagiscono con l'elettromagnetismo, come i quark e i gluoni interagiscono con la forza nucleare forte e come i bosoni interagiscono con la forza nucleare debole. Ciò che non sappiamo è cosa trasmette la gravità. È qui che entrano in gioco i gravitoni, le particelle teoriche che consentono alla gravità di essere una forza sulle cose nel mondo reale. Il problema con i gravitoni è che in realtà non sappiamo se esistano. Sono ancora teorici. La scienza non può spiegare la gravità.
Sorprendentemente, anche se non sappiamo con certezza dell'esistenza dei gravitoni, ne sappiamo molto. Sappiamo che la loro massa è zero o quasi e si muovono alla velocità della luce. Allora perché non riusciamo a trovarli?
La gravità è la più debole delle quattro forze, il che rende difficile il tracciamento. È stato calcolato che un rilevatore gravitazionale della massa di Giove posizionato vicino a un oggetto supermassiccio come una stella di neutroni avrebbe comunque difficoltà a rilevare qualsiasi cosa.
4. Tachioni
Grazie Star Trek per rendere popolari i tachioni, almeno in alcuni ambienti. Queste particelle teoriche sarebbero probabilmente oscure e sconosciute se la fantascienza non le avesse catturate a causa della loro natura decisamente strana. Ricorda solo che tecnicamente non esistono, ma alcuni fisici pensano che esistano.
La più grande pretesa di fama del Tachyon è la sua velocità. Viaggiano più veloci della luce. Questo di per sé è il motivo per cui molti credono che un tachione non possa esistere perché nulla viaggia più veloce della luce. Ma la fisica teorica è pronta a cedere a qualsiasi cosa se ci sono prove, quindi perché no?
Se un tachione si muove più velocemente della luce, in base a ciò che sappiamo del tempo, il tachione può muoversi indietro nel tempo. Generalmente accettiamo che nulla possa viaggiare più velocemente della luce perché la sua massa aumenterà, così come l’energia necessaria per spostarla. Alla velocità della luce saresti praticamente bloccato. Ma i tachioni accelerano man mano che perdono energia, il che significa che possono superare questa barriera. Ciò dà origine anche a tutti quei paradossi temporali che conosciamo dai film. E questa è una buona ragione per cui potrebbero non esistere affatto.
Naturalmente, se esistono ma si muovono più velocemente della luce, non sorprende che dobbiamo ancora rilevarli e, in effetti, potremmo non rilevarli mai proprio per questo motivo.
3. Materia oscura
Probabilmente hai già sentito il termine "materia oscura", ma se non sei sicuro di cosa significhi, benvenuto nel club. Anche la scienza ha difficoltà con questo, ma risponde a molte domande su come funziona l'universo, quindi in questo momento è una specie di segnaposto per spiegare molti fenomeni cosmici.
Il modo in cui le galassie si muovono in base alle nostre osservazioni non ha senso. Le galassie si muovono come se fossero molto più massicce di quanto appaiano. Deve esserci una fonte segreta di massa che tiene insieme ogni galassia, e quella fonte è la materia oscura.
La materia oscura non riflette, assorbe o emette elettromagnetismo, da cui il nome. È essenzialmente invisibile e quindi è solo teorico. Ma ciò che fa è emettere gravità e questo tiene insieme l'universo. E questo è molto. In effetti, circa 80% dell'intera massa dell'Universo.
2. Particelle
Sparticle è una parola fantastica che ricorda Spartacus e le particelle, ma solo metà della parola è corretta. La parte "s" in realtà significa "supersimmetrico". Ad esempio, le particelle sono particelle supersimmetriche e la loro esistenza può rivelare i segreti della fisica, come una noce di cocco.
Per quanto utile sia il modello standard della fisica delle particelle, come abbiamo visto, presenta molte lacune. Cos'è la materia oscura? Come funziona la gravità? Cosa fa oscillare i muoni? Ci sono domande sulla provenienza della massa e tutto il resto. Ci sono abbastanza domande che possono mettere in discussione il valore del modello standard o la necessità di sviluppare un modello completamente nuovo. A meno che, ovviamente, non sia possibile inserire dei fiammiferi da qualche parte.
Molti dei problemi che incontriamo nella fisica delle particelle possono essere spiegati utilizzando la teoria della supersimmetria. Secondo questo, ogni particella deve avere un partner supersimmetrico. In teoria, queste particelle partner potrebbero colmare ogni sorta di lacuna nella nostra comprensione dell’Universo. Hanno persino costruito il Large Hadron Collider solo per trovare queste cose. E non ha funzionato. Ciò non significa necessariamente che la teoria sia sbagliata, significa solo che la fisica è complessa e comprendere le basi della realtà richiede del tempo.
1. Fotoni
Ah, l'umile fotone. Tutti conoscono i fotoni. I fotoni costituiscono la luce come la intendiamo noi, piccole particelle di energia elettromagnetica che consentono alla luce di funzionare sia come particella che come onda. Naturalmente, i fotoni sono molto più che la semplice luce proveniente dallo schermo del telefono che colpisce i tuoi occhi in modo che tu possa vederlo. Sono anche Wi-Fi, che ti dà accesso a Internet, per non parlare delle onde radio, microonde, raggi X, raggi gamma e altro ancora.
Tutto ciò che vediamo accade perché esistono i fotoni che ci permettono di vederlo. Ciò significa che quando guardiamo l’Universo e vediamo una stella esplosa un miliardo di anni fa, quei fotoni hanno viaggiato così a lungo per arrivare qui, rendendoli i veri cavalli di battaglia del mondo delle particelle.
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