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Gli acceleratori e la fisica delle alte energie

Alla scoperta del nucleo atomico

Il fisico giapponese Hideki Yukawa nel 1935 pubblicò un articolo in cui ipotizzò che la forza che tiene insieme due nucleoni (protoni o neutroni) nel nucleo sia dovuta all’emissione di una particella mediatrice dell’interazione da parte di un nucleone e all’assorbimento dello stesso da parte dell’altro nucleone. Una stima della massa di questa particella fu che questa si situava a metà fra le masse dell’elettrone e la massa di un nucleone e perciò questa particella mediatrice dell’interazione nucleare fu chiamato mesone.

Colpendo un nucleo con un’energia sufficiente si poteva stimolare la creazione di queste particelle, che si sarebbero poi usate per sondare il nucleo. Fermi incoraggiò la costruzione di un ciclotrone in grado di accelerare i protoni, relativamente pesanti, perché raggiungessero l’energia di 60 milioni di elettronvolt (in breve MeV), sufficienti  alla produzione di mesoni. Ci sarebbero voluti cinque anni per realizzare il sogno di Fermi di un grande acceleratore di particelle e nel 1951 si sarebbe messo in uso un ciclotrone «potenziato» che avrebbe occupato la maggior parte del tempo dedicato da Fermi alla sperimentazione.

L’acceleratore crebbe da un raggio di 2,34 metri alla dimensione finale di 3,23 metri, con un magnete che pesava 2200 tonnellate e richiese una collaborazione stretta tra la General Electric, la Westinghouse e l’Office of Naval Research della Marina degli Stati Uniti.  Per ottenere l’energia necessaria si sviluppò una nuova tecnologia piuttosto impegnativa per gli ingegneri elettrici che costruivano la macchina, a cui Fermi diede un contributo importante. Nel 1951 il ciclotrone di Chicago era ormai attivo e funzionante, con un’energia, per allora notevolissima: era uno dei più potenti acceleratori del mondo. 

Nel 1951 i fisici ritenevano che il mesone PI, o pione, fosse responsabile della forza forte e che avrebbe interagito in modo interessante con i protoni e i neutroni all’interno del nucleo. Il ciclotrone di Chicago era una delle poche macchine tanto potenti da creare pioni con un’energia sufficiente per sondare il nucleo. Gli esperimenti di Fermi crearono un fascio di pioni accelerando i protoni nel ciclotrone fino a energie elevatissime e poi sparandoli contro un bersaglio. I protoni stimolavano i nuclei del bersaglio a emettere pioni, che venivano quindi usati per sondare altri nuclei. I pioni colpivano questi nuclei e la loro interazione rivelava fatti interessanti sui protoni e i neutroni e sulla loro relazione con i pioni.

L’analisi dei risultati di questi esperimenti fece capire che i protoni erano particelle piuttosto complicate: bombardandole si poteva stimolarne il decadimento in vari sottoprodotti diversi. Si scoprì così che queste particelle avevano una struttura interna che si poteva esplorare ulteriormente. Fu una scoperta importante che mostrò la via verso gli sviluppi futuri della fisica delle particelle, sviluppi che avrebbero stravolto la nostra concezione di queste particelle nucleari.

Il modello standard

Le particelle elementari oggi   

videoMODELLOSTANDARD.mp4 (in Italiano e in Inglese)