50 anni fa scoprimmo il quarto quark

Solo 50 anni fa, un gruppo di fisici scoprì un nuovo quark, l’elemento base di protoni e neutroni. Racconto di uno dei suoi scopritori.

All’inizio degli anni ’70 i fisici delle particelle avevano a disposizione due imponenti centri acceleratori per studiare l’infinitamente piccolo: il CERN europeo a Ginevra e quello americano Brookhaven vicino a New York. Ciascuno ospitava un acceleratore di protoni di 620 m di circonferenza in grado di raggiungere l’allora sconcertante energia di 25 GeV. L’unità di energia qui è l’elettronvolt (eV), dove 1eV è l’energia di un elettrone che attraversa una tensione di 1V. Utilizziamo i multipli: keV (10³), MeV (10⁶) un GeV (10⁹). Questo rimane infinitesimale rispetto al mondo ordinario. 1 GeV, equivalente alla massa del protone, corrisponde ad un’energia tale da innalzare di un miliardesimo di grado la temperatura di un grammo d’acqua!

Grazie a queste macchine, la fisica ha moltiplicato il numero delle particelle elementari seguendo una ricetta semplice: bombardando un bersaglio con un fascio di protoni accelerati, abbiamo analizzato le particelle che ne uscivano. Abbiamo così accumulato circa 200 tipi di oggetti elementari, in particolare numerose risonanze.

Cos’è una risonanza? Mentre particelle come protoni, elettroni, pioni, kaoni, ecc. possono essere seguite a distanze macroscopiche, le risonanze si disintegrano non appena si creano, dando due o tre particelle che devono essere associate per ritrovare la risonanza originale. Empiricamente si è notato che maggiore è la loro massa, minore è la loro durata di vita, che raggiunge i 10^-23 S. La disciplina languiva da diversi anni senza una direzione chiara di fronte a uno zoo eterogeneo e dall’aspetto piuttosto disordinato.

Il gioco dei quark Lego

200 oggetti elementari per costruire il mondo, che non poteva essere l’ultima parola. Fortunatamente i fisici Murray Gell-Mann da un lato e George Zweig dall’altro suggerirono l’esistenza di costituenti più elementari alla base delle particelle elencate. Gell-Mann li chiamò quark e dimostrò che le 200 specie conosciute potevano essere intese come assemblaggi di tre diversi quark chiamati u, d e s. Zweig li chiamava “asso” ma “quark”, che viene dal romanzo di James Joyce Finnegans Wakeviene imposto.

I quark trasportano cariche elettriche che sono una frazione della carica elementare dell’elettrone, rispettivamente +2/3 per u e -1/3 per d e s. Con questi tre oggetti base e tre antiquark associati portanti carica opposta, ricostruiamo due famiglie di particelle:

• i barioni che sono triplette di quark, ad esempio uud e udd formano rispettivamente protoni e neutroni; le cariche +1 e 0 vengono ripristinate correttamente.

• mesoni che sono coppie che associano un quark e un antiquark,

Con solo tre dadi a disposizione, la natura ha costruito tutte le particelle conosciute. Mancava un’associazione, quella del barione corrispondente alla tripletta sss. Questa era la previsione del modello. Fu condotta una ricerca e nel 1964 a Brookhaven fu scoperto il “grande Ω” con la massa prevista. Gell-Mann ricevette il Premio Nobel nel 1969.

Tutte le particelle conosciute hanno una carica elettrica +1, 0, -1 quella dell’elettrone. Le cariche non intere che dovrebbero caratterizzare i quark non sono mai state osservate liberamente. Tuttavia, i quark esistono nella misura in cui operano durante le interazioni tra particelle. Ma, appena creati, si “vestono” con altri quark o antiquark per formare particelle “vere”, barioni o mesoni. Al nostro livello, i quark rimangono oggetti virtuali, necessari per interpretare le osservazioni.

I quark costituiscono il livello più basilare della materia esplorata fino ad oggi. La loro “dimensione” è inferiore a 10^-18 m mentre le particelle che compongono hanno dimensioni mille volte più grandi.

La rivoluzione del 10 novembre 1974

Oltre ai due grandi laboratori citati, c’erano centri più modesti. In Francia, una macchina a protoni funzionava a Saclay e una macchina a elettroni a Orsay. C’era anche un sistema in fase di sviluppo nel campus di Stanford, nel cuore della Silicon Valley, a sud di San Francisco. Il laboratorio, denominato SLAC, aveva costruito un acceleratore “nel parcheggio”, cioè interamente finanziato dai costi di esercizio, senza una specifica richiesta di budget, cosa che oggi merita di essere evidenziata! Si trattava di un dispositivo che accelerava elettroni e positroni nella direzione opposta in un collisore di 80 m di diametro, con un’energia massima di 4 GeV per raggio. Prese il nome SPEAR, “Stanford Positron Electron Accelerator Ring”.

Intorno a un punto di interazione tra positroni ed elettroni è stato costruito un rilevatore di nuova concezione per misurare al meglio tutti i prodotti della collisione. È stato il primo rilevatore ermetico che copriva l’intero spazio in modo che nulla potesse sfuggire. Lo abbiamo chiamato Mark1.

L’esperimento iniziò a raccogliere dati già nel 1973 e fu imbarazzante. Il computer che gestiva la raccolta dei dati registrava circa una collisione ogni due-tre minuti e la segnalava emettendo un breve suono. Questo tasso era molte volte superiore a quanto previsto dalla teoria.

Abbiamo variato l’energia in una scansione relativamente grossolana, in passi di 50 MeV: quindi, abbiamo misurato il tasso di collisione a 2.550 GeV poi 2.600 GeV poi 2.650 GeV… Sono comparsi due problemi. Innanzitutto, come già accennato, il tasso di interazione si è rivelato significativamente più alto del previsto. Inoltre, i dati rilevati all’energia nominale di 3.100 GeV in tre periodi diversi non erano in accordo tra loro, con due periodi che fornivano tassi molto più alti rispetto al terzo. La riproducibilità della fisica sembrava essere violata.

Il segnale magico

E poi qualcuno ha avuto l’idea di fare una scansione energetica molto più fine. Invece di aumentare da 50 MeV a 50 MeV, varieremmo l’energia in incrementi più piccoli da 2 MeV a 2 MeV. E lì il miracolo si verificò il 10 novembre 1974, era una domenica. Eravamo in tre o quattro nella sala di controllo quando il computer, che emetteva il suo piccolo suono ad ogni nuova collisione, invece di crepitare ogni due o tre minuti, cominciò ad accelerare il ritmo. Era il segnale magico che tutti speravamo: tra le energie di 3100 e 3120 MeV, la velocità delle interazioni, e quindi il segnale sonoro proveniente dal computer, aumentò improvvisamente di un fattore 100. La “sparatoria” durò pochi minuti. Poi, superato il picco scoperto, il computer riprendeva immediatamente la sua routine in due minuti.

Era stata rivelata una struttura chiara, era appena stata rivelata una “risonanza stretta” di massa 3096 MeV e larghezza 87 keV. Questa larghezza indicava una durata di vita 100 volte maggiore del previsto. Cercavamo il profilo di una collina del Giura e abbiamo scoperto una vetta alpina. È apparso un fenomeno completamente nuovo.

Fu scritta rapidamente una pubblicazione, firmata da un gruppo di una trentina di fisici, un contingente che all’epoca sembrava mostruoso e che oggi si rivela molto modesto. Rinnovò la visione del mondo dell’infinitamente piccolo e l’evento fu chiamato la “rivoluzione del novembre 74”

Bisognava dare un nome. Alcune lettere greche sono rimaste libere e abbiamo scelto Ψ. Perché questa particella ha avuto una vita così lunga? L’interpretazione non era ovvia. Due scuole hanno discusso durante una settimana febbrile al terzo piano del laboratorio dove i teorici bivaccavano, tra quelli favorevoli alla liberazione dei colori, una nuova “carica” ​​immaginata per associare tra loro i quark, e quelli favorevoli alla comparsa di un nuovo quark. Il verdetto era emesso: l’esperimento aveva appena scoperto il quarto quark, chiamato c per incantato. Ciò completò l’elenco dei costituenti elementari oltre i tre quark u, d e s introdotti da Gell-Mann.

E se esiste un nuovo quark, annuncia un’intera famiglia di particelle incantate corrispondenti a tutte le combinazioni consentite tra quattro quark. Già il 17 novembre abbiamo trovato il mesone Ψ’ con una massa di 3700 MeV, un altro avatar di quello che abbiamo chiamato charmonium, che associava un quark c al suo anti-c.

Perché “fascino”?

Per quanto riguarda i neonati, il nome charm deriva dallo scherzo di un padrino. In astronomia, i pianeti prendono il nome da antichi dei. Per le particelle avremmo potuto numerarle, abbiamo scelto di classificarle secondo l’alfabeto, preferibilmente greco. Quindi Δ, μ, Φ, Σ, Λ… furono usate quasi tutte le lettere. Il greco fu favorito affinché la fisica eguagliasse in rispettabilità sua sorella, la filosofia. Ma intorno agli anni ’60 il linguaggio si è evoluto. I nuovi scienziati, meno immersi nella cultura classica, passarono a nomi più prosaici. Strane particelle con il loro quark s (strano) aveva segnato il percorso. Fascino è stato adottato per la c, e la storia si ripeterà con il bellissimo quark b (or metter il fondo a) e il vero quark top (verità o in alto). Sappiamo oggi che con questi sei oggetti la lista dei quark è completa, non c’è più niente da scoprire su questo fronte.

Per chiudere la storia, la stessa risonanza fu scoperta indipendentemente nelle collisioni di protoni a Brookhaven, e lì il gruppo scelse il nome J. Questa lettera, estranea al greco, assomiglia a un carattere cinese che si scrive come il cognome del suo scopritore. E per non offendere nessuno, i fisici continuano a chiamare il mesone incantato con il nome un po’ barocco di J/Ψ.