Vi spiego cosa è (e a che serve) la particella Xi

Il fascino doppio di Xi... No, non sto parlando di un’affascinante donna cinese, protagonista magari di qualche romanzo o di qualche film, densi di passioni orientali... Si tratta invece della nuova scoperta registrata dal grande collisore di protoni, Lhc, al CERN di Ginevra, un nuovo tassello che consolida quanto sintetizzato nella teoria che descrive il comportamento della materia a livelli microscopici, il Modello Standard. Però... diciamolo pure... ora che ci eravamo abituati alla parola “bosone” (grazie a Higgs), eccoci alle prese con il “barione”!

Il nome della particella scoperta è molto più che cinese: Xi_cc⁺⁺. Per comprendere appieno il peso di questa scoperta (e il termine “peso” non è usato a caso!) ‒ e anche il significato simbolico del suo nome ‒ dobbiamo però spiegare... tutta la fisica!

Preoccupati? Ma no, me la caverò con poche righe (almeno questo è nelle intenzioni!). La fisica può essere “ridotta” a quattro domande fondamentali: perché gli oggetti cadono al suolo? Perché, se chiudo un interruttore di un circuito elettrico, si accende la lampadina? Perché il Sole dà luce e ci regala la vita? Perché esiste la materia? In queste domande c’è in pratica tutta la fisica.

Alla prima si risponde riferendosi all’esistenza della “forza” (o anche, “interazione” fondamentale) gravitazionale; alla seconda, accennando alla interazione elettromagnetica; alla terza si può rispondere con l’esistenza dell’interazione debole (responsabile anche della radioattività); alla quarta... beh, è quella di nostro interesse: l’interazione nucleare forte. La materia esiste in virtù di questa interazione. Ma in quale modo essa si esplica?

L’atomo, nella sua versione classica, è sempre immaginato come un sistema planetario nel cui centro sia presente un nucleo più pesante attorno al quale ruotino oggetti più piccoli e leggeri chiamati elettroni e portatori di carica negativa (la situazione reale è un po’ più complicata, più... indeterminata!). Però la materia normale è neutra, quindi dovrà esserlo anche l’atomo di cui essa è composta, in grandissima quantità: le cariche negative dovranno essere bilanciate da altrettante cariche positive... E allora, andiamo a sbirciare ancora più in profondità e scopriamo com’è fatto il nucleo... Ah!... Ecco dov’è il trucco! Il nucleo non è l’ultimo tassello della materia: anch’esso è composto da altre particelle: i neutroni e i protoni. Senza molto sforzo di fantasia, la particella neutrone ‒ per il nome che ha ‒ non suggerirebbe la presenza di una qualche carica, né positiva né negativa, come si è appunto verificato. Non ci resta che il protone... che infatti è il vero portatore di carica positiva!

A questo punto, cari lettori coraggiosi che mi avete seguito fin qui, mi dovreste dare voi una spiegazione: il nucleo è molto, molto piccolo e quindi i suoi costituenti devono essere davvero legati stretti stretti... però è risaputo che ‒ come accade per i magneti quando si cerca di avvicinare i poli dello stesso tipo ‒ anche corpi che hanno la medesima carica tenderebbero a respingersi (in virtù di quella interazione elettromagnetica!). Com’è possibile che il nucleo, raccogliendo la quasi totalità della massa di un atomo, possa tenere legati insieme oggetti tutti della stessa carica? La materia sarebbe instabile, non dovrebbe anzi esistere! E invece... altro trucco! Avvicinare due protoni, entrambi positivi, costa una certa fatica, certo, perché essi tenderebbero a respingersi per quanto abbiamo detto. Ma se riusciste ad accostarli fino a una distanza davvero minima (anche sudando le famose sette camicie!), scoprireste che all’improvviso i due oggetti si incollano con una forza oltre cento volte più forte di quella che tenderebbe a farli respingere reciprocamente! Ecco entrare in gioco ‒ ma solo a distanze davvero infinitesime ‒ la forza più forte dell’universo, la forza nucleare forte!

C’è però un forte sospetto... Pensavamo che l’atomo fosse l’ultimo mattone della materia e invece abbiamo scoperto che esso è composto da elettroni orbitanti attorno a un nucleo. E poi, abbiamo visto che anche il nucleo è a sua volta composto da altre particelle, i neutroni e i protoni... Non è che per caso anche questi ultimi...?

Manco a dirlo! Ecco là... ma certo! Sia protoni che neutroni sono composti a loro volta da particelle ancora più piccole, chiamate “quark”, tre per protoni e tre per neutroni. Dato però che protoni e neutroni hanno diversità di carica (questi ultimi non ne hanno proprio), è ovvio che le combinazioni di quark dovranno essere differenti. Ci assale allora un altro sospetto: quanti tipi di quark esistono?

E qui si apre un universo... infinitesimo. I quark scoperti sono ben sei e hanno nomi che sono tutto un programma, un po’ come i nani di Biancaneve: up (u), down (d) charm (c), strange (s), top (t), bottom (b), tutti con masse molto diverse fra loro. Il protone ha la combinazione: u + u + d; il neutrone invece la combinazione complementare: u + d + d.

La scoperta sconcertante è che tutta la materia ordinaria si fonda sulla combinazione dei soli due quark citati per protoni e neutroni. In più, la “colla” che tiene unita in profondità la materia sta proprio nel modo in cui i quark sono legati nei protoni e nei neutroni... Perché dovrebbero essercene allora addirittura sei se... “non servono”? La natura è parsimoniosa: cerca sempre lo stato di minima energia e non crea nulla che non abbia una qualche... utilità...

E infatti, altre combinazioni di quark sono state trovate (o ipotizzate) in alcune particelle, magari in quelle che esistono solo per brevissimi istanti. Per inciso, le particelle formate da tre quark vengono chiamate “barioni” (ecco svelato il significato del nome)... I barioni finora hanno presentato al massimo un solo quark pesante, al loro interno. All’appello mancava una particella che fosse composta invece da due quark pesanti, come il quark charm (c).

La particella “generica” Xi può avere molte combinazioni di quark. Quella appena trovata è appunto composta da c + c + un quark più leggero (u), ed è pesante tre volte e mezzo un protone (o un neutrone). L’aspetto sorprendente della scoperta è che i due quark pesanti al suo interno (i due charm c, da cui fascino... doppio!) ruotano l’uno attorno all’altro in una danza armoniosa, come in un sistema di stelle binario, attorno al quale ruoti a sua volta il quark u.

Questa scoperta aiuterà a comprendere più in profondità i meccanismi che regolano proprio l’interazione forte, quella che spiega l’esistenza della materia, descritta da una fisica che prende il nome di “cromodinamica quantistica”.

Una osservazione intrigante. C’è una teoria che vorrebbe i quark a loro volta composti da oggetti ancora più fondamentali, formati però non da particelle materiali, bensì da... “vibrazioni” di corde infinitesime. È la cosiddetta ‒ e controversa ‒ teoria delle stringhe. Un po’ come associare a ciascuna particella un “suono” prodotto dalla vibrazione di una o più corde (stringhe), come quelle di una chitarra.

Una mia immagine “poetica” (che nulla ha a che fare con la scoperta), basata sulla descrizione dei due quark charm ruotanti l’uno attorno all’altro “in una specie di danza armoniosa”, mi fa pensare a questo movimento come a un ballo stimolato dal suono melodioso di un concerto di minuscole corde vibranti...

La natura, nella sua parte più intima, è tutta musica e danza?

È dunque questa la bellezza?