Xi: la particella che ci farà capire cosa “tiene insieme” l’universo

Xi: la particella che ci farà capire cosa “tiene insieme” l’universo
   
    

Xi: la particella che ci farà capire cosa “tiene insieme” l’universo BEST5.IT 2018-12-16 14:08:30
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Si chiama Xicc++, più semplicemente Xi per i non addetti ai lavori, ed è appena andata ad arricchire lo “zoo” delle particelle conosciute che costituiscono l’atomo.

Ha una vita brevissima – solo un millesimo di miliardesimo di secondo – e perciò i fisici del Cern di Ginevra ci hanno messo anni a individuarla.

Ma può essere che questo instabile elemento ci sveli come si comportano le forze del cosmo. Scopriamo come!

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1. L’acceleratore dei miracoli

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Si chiama Xicc++, più semplicemente Xi per i non addetti ai lavori, ed è appena andata ad arricchire lo “zoo” delle particelle conosciute che costituiscono l’atomo.

È il nuovo colpo del Cern di Ginevra dopo l’individuazione del bosone di Higgs, avvenuta cinque anni fa.

La scoperta di questa minuscola componente della materia è dovuta alle straordinarie energie alle quali lavora l’acceleratore più potente del mondo (Large Hadron Collider) e a uno dei suoi quattro rivelatori, l’LHCb, coordinato dall’italiano Giovanni Passaleva dell’Istituto nazionale di fisica nucleare.

La nuova arrivata, infatti, non esiste normalmente in natura.

«È molto instabile», spiega Passaleva. «Può prodursi, per esempio, quando i raggi cosmici risultanti dall’esplosione di una supernova raggiungono l’atmosfera e la colpiscono con tutta la loro energia. Ma la sua vita si riduce a un millesimo di miliardesimo di secondo. Poi decade in particelle più leggere».

Eppure gli scienziati del Cern l’hanno acchiappata. Il Large Hadron Collider, costruito all’interno di un tunnel sotterraneo circolare lungo 27 chilometri e situato a 100 metri di profondità, è il più grande acceleratore di particelle al mondo.

Suo scopo è far luce sul complesso mondo racchiuso nel cuore dell’atomo utilizzando la “forza bruta”, cioè facendolo a pezzi. Il complesso macchinario è costituito da due tubi ad anello circondati da 1.600 super calamite in lega di niobio e titanio, raffreddate alla temperatura di -271,25 °C.

In questo frantumatore di atomi, due fasci di protoni vengono “sparati” a velocità prossime a quelle della luce in direzioni opposte. I fasci, scontrandosi, producono un’enorme quantità di nuove particelle. Per identificarle i fisici fotografano le traiettorie che esse seguono mentre attraversano un campo magnetico.

Le particelle di carica positiva, per esempio, deviano dalla parte opposta rispetto a quelle di carica negativa, mentre la loro massa è determinata dalla velocità con la quale “schizzano” attraverso il rilevatore. È in uno di questi scontri che è stata finalmente rilevata la mitica particella Xi.

 

2. Mattoncini, anzi quark

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La nuova particella appartiene alla famiglia dei barioni, la stessa di cui fanno parte protoni e neutroni, i costituenti del nucleo atomico che formano la maggior parte della materia che ci circonda.

Subito si è rivelata ricca di sorprese: come tutti i barioni è composta da tre “mattoncini”, i quark, ma a differenza degli altri barioni finora noti, che possiedono al massimo un solo quark pesante, Xi, di quark pesanti, ne ha addirittura due.

«Questi pesi massimi nella particella sembrano comportarsi come le stelle di un sistema planetario binario, con il quark più leggero a orbitare attorno agli altri due», ha fatto notare il fisico britannico Guy Wilkinson.

«I loro movimenti sono infatti più lenti rispetto a quelli dei tre quark leggeri presenti in protoni e neutroni, che eseguono una complessa danza l’uno attorno all’altro».

Nella foto sotto: LARGE HADRON COLLIDER. Costruito all’interno di un tunnel sotterraneo circolare lungo 27 chilometri e situato a 100 metri di profondità a Ginevra (Svizzera), è il più grande acceleratore di particelle al mondo.
È costituito da due tubi ad anello circondati da 1.600 super calamite in lega di niobio e titanio, raffreddate a -271,25 °C.
In questo frantumatore di atomi, due fasci di protoni vengono “sparati” a velocità prossime a quelle della luce in direzioni opposte.
I fasci, scontrandosi, producono un’enorme quantità di nuove particelle.

 

3. La colla degli atomi

La colla degli atomi-300x180

La scoperta di una particella quasi quattro volte più pesante del protone rappresenta per i fisici un nuovo modo per individuare gli ingredienti che, come in una torta, formano l’atomo.

Riuscire a osservare altre particelle simili a “miss Xi”, dicono, farebbe comprendere il meccanismo che, come una potentissima colla, consente alla materia di restare unita e spiegherebbe una delle forze più incredibili esistenti nell’universo, la cosiddetta interazione forte.

Si tratta della più intensa delle quattro forze che agiscono in natura, ma anche quella con il raggio di azione più piccolo, che agisce solo a livello delle particelle subatomiche.

Essa regola il comportamento della materia a livelli microscopici, domina il mondo dell’infinitamente piccolo ed è tanto potente da rendere possibile l’esistenza stessa degli atomi.

Per quanto sembri incredibile, infatti, ogni atomo è costituito per il 99,9 per cento di vuoto. Le sue dimensioni complessive, i cui confini sono rappresentati dalla nube di elettroni che lo circonda, sono enormi se confrontate con il nucleo centrale: circa 10mila volte maggiori.

Per fare un esempio concreto, se ingrandissimo un atomo fino alle dimensioni della cupola della basilica di San Pietro a Roma, il suo nucleo avrebbe le dimensioni di un granello di sale e i suoi elettroni non sarebbero che invisibili corpuscoli di polvere.

È l’interazione forte a tenere unito l’atomo e far sì che lo spazio compreso fra nucleo ed elettroni non possa essere occupato o attraversato da altra materia.

Questo spiega la ragione per la quale, pur essendo costituiti in gran parte da spazio vuoto, gli atomi non possono compenetrarsi reciprocamente, escludendo così le conseguenze macroscopiche paradossali tipo la possibilità che il nostro corpo riesca a passare attraverso un muro di mattoni.

In fine, un dato curioso: gli scienziati hanno calcolato che, se potessimo togliere ogni spazio tra i nuclei e gli elettroni degli oltre 7 miliardi di abitanti della Terra, non otterremmo niente di più grande di un’arancia.

Nella foto piccola in alto a sinistra, lo scontro fra due fasci di protoni (in verde) crea nuove particelle che i fisici catalogano in base alle traiettorie seguite (in giallo).

 

4. Le forze fondamentali dell’universo sono quattro

Le forze fondamentali-300x180

Tutti i fenomeni che conosciamo in natura possono essere descritti da quattro forze.

Lo sforzo attuale dei fisici è quello di dimostrare che esse, anche se appaiono diverse, sono in effetti manifestazioni di una sola forza.

  1. Forza di gravità
    È la più debole perché per essere determinante necessita della presenza di grandi masse di materia.
    La struttura dell’universo è dovuta principalmente a questa forza, che fa orbitare i pianeti attorno alle stelle e le fa aggregare in enormi galassie.


  2. Forza nucleare debole
    Dotata di un raggio d’azione piccolissimo, è responsabile di alcune forme di radioattività. Contribuisce ai processi che all’interno delle stelle portano alla formazione dei vari elementi.


  3. Forza elettromagnetica
    È la combinazione tra la forza elettrica, che agisce tra due particelle ferme dotate di carica elettrica, e la forza magnetica, che agisce tra due particelle cariche che si muovono l’una rispetto all’altra.
    È attrattiva (se le cariche elettriche sono di diverso segno) o repulsiva (se sono dello stesso segno).


  4. Forza nucleare forte
    È quella che permette ai protoni di rimanere uniti tra loro. La sua azione “collante” la rende la più intensa delle quattro.

5. I piccoli elementi che compongono la materia

I piccoli elementi che compongono la materia-300x180

  • Atomo
    Il suo nome significa “senza divisione”.
    Ma l’atomo non è l’unità più piccola e indivisibile della materia, essendo composto da un nucleo e da uno o più elettroni che gli orbitano intorno.
  • Nucleo
    È composto da due tipi di particelle: i protoni a carica elettrica positiva e i neutroni a carica elettrica nulla.
  • Elettroni
    Sono particelle dotate di carica negativa che non percorrono orbite ellittiche e regolari come i pianeti, ma formano un caotico e irregolare intreccio di scie ad altissima velocità, simile a una nube.
    Poiché il loro numero è uguale a quello dei protoni, le rispettive cariche si annullano a vicenda, rendendo l’atomo neutro
  • Quark
    Protone e neutrone sono a loro volta composti da altre particelle più piccole chiamate quark, teorizzate nel 1964 dal fisico statunitense Murray Gell-Mann che diede loro quel nome perché colpito da una filastrocca senza senso di Finnegans Wake, un testo di James Joyce.
    I principali sono il quark up (su) e il quark down (giù). Il protone è costituito da tre quark, due di tipo up e uno di tipo down, il neutrone da uno di tipo up e due di tipo down.
    Attraverso i grandi acceleratori di particelle, si è trovato che esistono altri quattro quark che sono stati chiamati charm (fascino), strange (strano), bottom (basso) e top (alto).
  • Barioni
    Dal greco barys, pesante, sono particelle subatomiche formate da tre quark. I più noti sono neutroni e protoni e costituiscono la maggior parte della materia visibile nell’universo.

 




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