Massa e particelle elementari

Nel precedente post abbiamo iniziato ad esplorare alcuni concetti base della massa, ad iniziare da quella definizione che ci accompagna con successo fin dai tempi degli antichi greci, ovvero che la massa è la quantità di materia presente in un oggetto.
Quando però ci addentriamo a livello di particelle elementari, le cose si complicano un po’.
L’infinitamente piccolo è un po come una incredibile matrjoska russa, quelle bambole all’interno della quale c’è un’altra bambola, all’interno della quale se ne cela un’altra ancora più piccola e cosi via.
L’atomo (che in greco significa indivisibile), in realtà è tutt’altro che una particella elementare, dentro di se ha un nucleo intorno al quale orbitano in moto quantistico gli elettroni.
Dentro al nucleo atomico troviamo protoni e neutroni legati tra di loro dall’interazione nucleare forte.
Ma cosa provoca l’interazione forte? Lo scambio di mesoni (un gruppo di particelle subatomiche composte da un quark e un antiquark legati dalla forza forte) tra protoni e neutroni.
Quindi all’interno dei mesoni ci sono delle particelle ancora più piccole i quark che sono tenuti insieme dai gluoni.
Complessivamente le “particelle elementari”, al momento conosciute, sono sei quark, otto gluoni e sei leptoni più i quattro bosoni di gauge elettrodeboli ed un gravitone che supponiamo che esista anche se sperimentalmente ancora nessuno lo ha beccato.
Nel 2012 poi a questa lunga lista si è aggiunto il bosone di Higgs per completare un rompicapo già piuttosto complesso.
E qui abbiamo la prima sorpresa, in fisica delle particelle, esistono particelle senza massa ma con energia diversa da zero. Prendiamo la luce composta da particelle elementari chiamati fotoni che viaggiano costantemente a circa 300.000 km al secondo.
I fotoni sono puntiformi ovvero non hanno dimensione o struttura interna, allo stesso tempo si comportano anche come onda, ovvero si muovono in modo ondulatorio. Possiamo però contemporaneamente “contarli” quindi sono anche particelle, siamo nel pieno della dualità onda-particella quantistica.
Un fotone impiega poco più di un secondo per coprire il tragitto dalla Terra alla Luna.
Ogni fotone trasporta energia mentre si muovono in continuazione nello spazio alla velocità della luce che in fisica si indica con la lettera c.
L’energia trasportata dai fotoni non è uguale, può essere molto intensa (raggi gamma), appena un po meno intensa (raggi X), fino a scendere nello spettro della luce visibile o arrivare a trasportare un quantitativo ridotto di energia (microonde e onde radio).
Qualunque sia l’energia trasportata i fotoni non hanno massa. Anzi sono l’unica particella elementare in movimento priva di massa. Ed è per questo che sono in grado di viaggiare alla velocità di 300.000 km al secondo.
Esistono altre particelle prive di massa come i gluoni che però sono intrappolati dentro gli adroni ( particella subatomica soggetta alla forza nucleare forte e formata da quark, in alcuni casi associati ad antiquark) e quindi impossibilitati a muoversi.
La teoria prevede la presenza di un gravitone che quando e se sarà scoperto farà compagnia al fotone come particella senza massa in movimento.
L’esistenza del fotone è una scappatoia prevista nella teoria della relatività di Einstein. La sua esistenza come particella priva di massa, ma “energetica” è subordinata al suo eterno movimento alla velocità della luce (i famosi 300.000 km al secondo). Per questo la velocità della luce è una costante fondamentale nell’universo.
Il fotone è una particella speciale che non può mai essere ridotta a “riposo”, in altri termini non siamo in grado di arrestare la corsa di un fotone.
Tutte le altre particelle elementare, se si eccettuano i gluoni (intrappolati negli adroni) ed i gravitoni invisibili, sono particelle massive.
E per adesso ci fermiamo qui.

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