I QUARK

Per molto tempo si pensò che a far compagnia all’elettrone, nell’elenco dei fermioni fondamentali, dovessero esserci neutrone e protone, i componenti del nucleo atomico. Si è scoperto tuttavia che questi non sono particelle elementari.Infatti i leptoni appaiono come particelle veramente elementari, poiché essi non hanno dimensioni o struttura interna, sono poco numerosi e non sembra che possano rompersi in unità più piccole.

Gli adroni, d’altra parte, sono particelle complesse che hanno dimensione e struttura. Inoltre gli adroni decadono in altri adroni e sono molto numerosi . Da ciò ne consegue che queste particelle non possono essere veramente elementari, ma possiedono una qualche struttura interna.

Nel 1963 Gell-Mann, infatti, scopre che la struttura dell’ottuplice via può essere spiegata ipotizzando che nelle profondità della struttura atomica - oltre il nucleo, i protoni e i neutroni - vi siano altre particelle ancor più elementari, ciascuna dotata di una frazione della carica elettrica del protone.

Il modello originale a quark

Nel 1963 Gell-Mann e Zweig proposero indipendentemente che gli adroni avessero una substruttura più fondamentale. Secondo il loro modello, tutti gli adroni sono sistemi composti di due o tre costituenti fondamentali chiamati QUARK.

La parola QUARK venne utilizzata per la prima volta da Gell-Mann, forse per mettere in rilievo le insolite proprietà dei "nuovi" corpuscoli elementari [il temine è l’abbreviazione di qu(estion) (m)ark ,punto interrogativo"].Deriva da una curiosa frase: "Three quarks for Muster Marks" tratta dal Finnegan’s wake - "La veglia di Finnegan" di James Joyce).


Nel modello originale, vi erano tre tipi di quark indicati con i simboli u, d ed s. Questi simboli derivano dai nomi arbitrari up (su), down (giù), che sono i due quark più leggeri, e sideways (storto), o, più comunemente, strange (strano). Questo nome era già stato associato al mesone K perché la sua lunga vita sembrava una proprietà inaspettata e, appunto, "strana" (il mesone K contiene quark strange). Una proprietà insolita dei quark è quella che la loro carica elettrica è frazionaria, come è mostrato, insieme ad altre proprietà nella tabella 1:

Tabella 1-Proprietà di quark e antiquark

Il numero barionico, così come il numero leptonico, è un numero quantico introdotto per tentare di giustificare la stabilità del protone. Tutte le particelle instabili tendono a trasformarsi in protoni o in elettroni; così la via che conduce al protone è chiamata canale barionico, mentre la via che porta all’elettrone è chiamata canale leptonico. Durante i processi di decadimento, però, deve esistere un parametro che resta costante, ecco che allora si introducono i due numeri quantici sopra citati. Ricordiamo che esistono altri quattro tipi di numeri quantici chiamati: Numero quantico principale (n), numero quantico azimutale (l, compreso tra 0 e (n-1) estremi inclusi), numero quantico magnetico (m, compreso tra -l ed l estremi inclusi), numero quantico di spin (s, uguale a -½ o +½)

Questa insolita carica frazionaria è in contraddizione con il fatto che ogni particella deve avere carica elettrica multipla intera della carica elementare dell’elettrone. Questo significa che in natura non ci possono essere quark isolati, ma devono essere uniti fra loro ("schiavitù asintotica"). Associato a ciascun quark vi è un antiquark di carica, numero barionico e stranezza opposti. La composizione di tutti gli adroni conosciuti quando Gell-Mann e Zweig presentarono il loro modello, poteva essere semplificata completamente per mezzo di tre semplici regole di unione dei quark:

1. I mesoni sono costituiti di un quark e un antiquark, dando loro un numero barionico nullo
2. I barioni sono costituiti di tre quark
3. Gli antibarioni sono costituiti di tre antiquark

La diversa composizione delle due famiglie di adroni (mesoni e barioni), implica, ovviamente, che i diversi componenti hanno proprietà fisiche diverse. Sulla base delle proprietà si usa raggruppare i quarks in famiglie secondo lo schema:

Il PROTONE è costituito da 1 quark down e 2 quark up:

-> -(1/3) + 2/3 + 2/3 = 1

Mentre il NEUTRONE è costituito da 2 quark down e 1 quark up:

-> -(1/3) - (1/3) + 2/3 = 0

La tabella 2 elenca la composizione di quark per alcuni mesoni e barioni. Si noti che soltanto due dei quark, u e d, sono contenuti in tutti gli adroni incontrati nella materia ordinaria (protoni e neutroni). Il terzo quark, s, è necessario soltanto per costruire le particelle strane con una stranezza di +1 0 -1.

Tabella 2- Composizione di quark per alcuni adroni

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