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Dall’atomo di Leucippo al bosone di Higgs: e dopo?

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Dall’atomo di Leucippo al bosone di Higgs: e dopo?

Dall’atomo di Leucippo al bosone di Higgs: e dopo?
28 Febbraio
17:05 2015

In origine era l’atomo “indivisibile” di Leucippo (V a. C.) e poi di Democrito, di Epicuro, di Stratone e di Tito Lucrezio Caro. Rimane “indivisibile” fino agli inizi del secolo XX, quando il fenomeno della dissociazione elettrolitica dell’acqua (scissione dell’acqua in ioni idrogeno e ossigeno a seguito dell’applicazione di un campo elettrico) mostra che l’atomo ha una sua struttura e quindi non è la particella di materia più piccola che si credeva.

Inizia la grande avventura dei modelli fisico-matematici dell’atomo, frutto combinato di una fervida immaginazione, calcoli matematici e dati osservativi, costituiti soprattutto dagli spettri di emissione e assorbimento dei corpi.

Il primo modello dell’atomo lo propone Ernest Rutherford nel 1911 e da esso Niels Bohr nel 1913 deriva il modello che, perfezionato poi da A. Sommerfeld, W. Pauli, S. Goudsmit, G. Uhlenbeck e altri, costituirà la base per tutte le successive ricerche sulla struttura dell’atomo. Attorno a un nucleo, nel quale si concentra quasi tutta la massa dell’atomo, composto da neutroni (privi di carica elettrica) e protoni (portatori della carica elettrica elementare positiva), ruotano gli elettroni (portatori della carica elettrica elementare negativa) percorrendo orbite ellittiche, riproducendo così a scala microscopica la struttura planetaria del sistema solare. Il numero di elettroni uguaglia quello dei protoni, per cui l’atomo nel suo complesso risulta elettricamente neutro quando si trova nel suo stato fondamentale, cioè non eccitato.
Il modello precedente di Rutherford presentava una grave incompatibilità con la teoria elettromagnetica di Maxwell: gli elettroni nel loro moto accelerato attorno al nucleo dell’atomo dovrebbero emettere onde elettromagnetiche perdendo energia e quindi collassare sul nucleo. Bohr, con grande spregiudicatezza, propone una soluzione: gli elettroni possono ruotare, senza emettere energia, soltanto a distanze ben definite dal nucleo che risultano multiple di una quantità contenente la cosiddetta costante di Planck (h). Al modello dell’atomo viene quindi applicata la meccanica quantistica, nella quale le grandezze sono quantizzate cioè non variano in maniera continua ma “a salti”, secondo multipli di una grandezza minima detta “quanto”. A ogni possibile distanza media dal nucleo corrisponde per l’elettrone un certo livello di energia e quando l’elettrone salta da un livello all’altro emette o assorbe energia elettromagnetica anch’essa in forma quantizzata. Inoltre si scopre che, come i pianeti, l’elettrone ha un moto rotatorio proprio detto spin, in senso orario o antiorario.
Questo nuovo modello riesce a spiegare alcune caratteristiche degli spettri elettromagnetici dei corpi prima inspiegabili e introduce un elemento rivoluzionario rispetto alla fisica classica di Galilei-Newton: la negazione della continuità, ma è ancora deterministico, perché le orbite sono ellissi perfettamente calcolabili.
Werner Heisenberg, con il suo principio di indeterminazione, nel 1927 mostra invece come non sia possibile determinare contemporaneamente con lo stesso grado di precisione velocità e posizione di una particella. Per gli elettroni, quindi, non è possibile calcolare esattamente la posizione durante il loro moto e il concetto di orbita viene sostituito da quello di orbitale, cioè dello spazio entro il quale con probabilità diverse può trovarsi l’elettrone nel suo moto attorno al nucleo. L’orbitale è dunque l’insieme delle possibili traiettorie dell’elettrone.
Nel 1923 Louis De Broglie estende a tutta la fisica l’idea della duplice natura di corpuscolo e onda già affermata per la luce. A ogni corpuscolo di massa m in movimento con velocità v è associata un’onda di lunghezza quantizzata λ= h/mv: nasce la meccanica quantistica-ondulatoria. Su tale idea Erwin Schrödinger, nel 1926, dimostra che è possibile descrivere matematicamente con una equazione il moto dell’elettrone come se fosse un’onda. La soluzione della sua equazione è una funzione d’onda che fornisce la probabilità di trovare l’elettrone in un punto dello spazio, correlandosi in tal modo al concetto di orbitale di Heisenberg. Il determinismo, almeno nella fisica delle particelle, cede il passo al probabilismo e viene messo in discussione il principio di causalità.
Questo modello dell’atomo rimane pressoché invariato fino agli inizi degli anni Settanta del secolo scorso, quando si scopre che protoni e neutroni non sono in realtà particelle elementari perché sono costituiti da altre particelle, i quark “su” e “giù”, e viene formalizzato il cosiddetto Modello Standard (MS), una teoria che spiega ogni evento del mondo fisico (esclusa la gravità) sulla base di 6 particelle fondamentali (elettrone, quark “su” e “giù”, fotone, gluone, bosone di Higgs) e di 11 particelle aggiuntive. Il fotone e il gluone sono le “particelle messaggere”, rispettivamente delle forze elettromagnetiche e delle interazioni forti, le forze che tengono uniti protoni e neutroni nel nucleo. Un’altra rivoluzione rispetto alla fisica classica che non riusciva a spiegare l’esistenza delle azioni a distanza, che ora invece vengono riportate al concetto più intuitivo di azione mediata da particelle messaggere delle forze.
L’unico tassello che fino a qualche anno fa ancora mancava per completare il MS era la scoperta del bosone di Higgs, previsto teoricamente fin dal 1964 da Peter W. Higgs ma scoperto sperimentalmente il 14 giugno 2012 nei laboratori del CERN a Ginevra. Il vuoto non è più il “nulla” cui eravamo abituati a pensare, ma è sede di un campo di forze (campo di Higgs) che possono agire sulle particelle elementari conferendo loro un’inerzia e quindi una massa attraverso il bosone di Higgs oppure no, come nei fotoni.
Nel 1933 l’astronomo Fritz Zwicky, calcolando la massa degli ammassi di galassie della Chioma e della Vergine, giunse alla conclusione che una notevole quantità di essa non era calcolabile in base a misure di luminosità, concludendo che doveva esistere una specie sconosciuta di materia che non emette luce e detta pertanto materia oscura, confermata poi da dati osservativi nel 2008. Oggi si ritiene che circa l’86% della massa dell’Universo sia costituito da materia oscura. Ma l’astrofisica può dimostrarne soltanto l’esistenza e sarà, in futuro, compito della fisica delle particelle svelarne la natura.
Secondo una conferenza tenuta il 13 febbraio dal professor Luciano Maiani all’Accademia dei Lincei, i campi d’indagine della futura fisica delle particelle, dopo la scoperta del bosone di Higgs, saranno la supersimmetria (che permette di ipotizzare l’esistenza di particelle nascoste in base a principi di simmetria), la natura della materia oscura e l’applicabilità della teoria di Ettore Majorana al neutrino, secondo la quale neutrino e anti-neutrino sarebbero immagini speculari di una stessa particella. Tali ricerche si dovranno sviluppare nei laboratori sotterranei (per. es. quello del Gran Sasso dell’INFN), nelle navicelle spaziali e nei futuri più potenti acceleratori di particelle.

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