Fisica delle particelle

La fisica delle particelle è la branca della fisica che studia le costituenti elementari della materia e delle radiazioni, e l'interazione tra di esse. Viene anche chiamata fisica delle alte energie, poiché molte particelle elementari non si riscontrano libere in natura, e possono essere rilevate solo durante le collisioni energetiche di particelle più grosse, come avviene negli acceleratori di particelle.

La ricerca, nella moderna fisica delle particelle, è focalizzata sulle particelle subatomiche, che sono più piccole degli atomi. Queste includono i costituenti degli atomi come: elettroni, protoni, e neutroni (protoni e neutroni sono in realtà particelle composite, formate da quark), così come particelle prodotte da processi radioattivi e di dispersione, come: fotoni, neutrini, e muoni.

In senso stretto, il termine particella non è del tutto corretto. Gli oggetti studiati dalla fisica delle particelle, obbediscono ai principi della meccanica quantistica. Come tali, mostrano una dualità onda-corpuscolo, in base alla quale manifestano comportamenti da particella sotto determinate condizioni sperimentali e comportamenti da onda in altri. Teoricamente, non sono descritte ne come onde ne come particelle, ma come vettori di stato in un'astrazione chiamata spazio di Hilbert. Per una trattazione più dettagliata, si veda la teoria di campo quantistica. Seguendo le convenzioni dei fisici delle particelle, useremo "particelle elementari", per riferirci a oggetti come elettroni e fotoni, ben sapendo che queste "particelle" mostrano anche proprietà ondulatorie.

Tutte le particelle fino ad oggi osservate, sono state catalogate in una teoria di campo quantistica chiamata Modello Standard, che viene spesso considerata come la miglior conquista della fisica delle particelle finora conseguita. Il modello contiene 47 specie di particelle elementari, che rispondono delle altre centinaia di particelle scoperte fin dagli anni 60. Si è visto come il modello standard concordi con quasi tutti gli esperimenti finora condotti. Comunque, molti fisici delle particelle credono che sia una descrizione incompleta della natura, e che una teoria ancor più fondamentale attenda di essere scoperta. Negli ultimi anni, la misurazione della massa del neutrino, ha fornito la prima deviazione sperimentale dal modello standard.

La fisica delle particelle ha avuto anche un grande impatto sulla filosofia della scienza. Le idee riduzionistiche che motivano gran parte del lavoro in questo campo, sono state criticate da diversi filosofi e scienziati. Parte del dibattito è descritto più sotto.

Storia della fisica delle particelle

L'idea che la materia sia composta da particelle elementari, data quanto meno al VI secolo AC. La dottrina filosofica dell'"atomismo" era studiata da filosofi dell'antica Grecia quali, Leucippo, Democrito, ed Epicuro. Anche se già Isaac Newton nel XVII secolo pensava che la materia fosse composta da particelle, fu John Dalton che nel 1802 sostenne formalmente che la materia era composta da piccoli atomi.

La prima tavola periodica di Dmitri Mendeleev, del 1869 contribuì a cementare questa visione, prevalente per tutti il XIX secolo. Il lavoro di Joseph Thomson stabilì che gli atomi erano composti da elettroni leggeri e massicci protoni. Ernest Rutherford stabilì che i protoni erano concentrati in un nucleo compatto. Il nucleo era inizialmente ritenuto essere composto da protoni ed elettroni confinati (al fine di poter spiegare la differenza tra la carica elettrica e il peso atomico), ma fu in seguito scoperto essere composto da un nucleo di protoni e neutroni e da elettroni che orbitano attorno.

Negli anni 50 e 60 si svilupparono macchine in grado di produrre e rivelare un incredibile varietà di particelle. Si faceva riferimento a queste come allo "zoo delle particelle". Questo termine venne abbandonato dopo la formulazione del modello standard, durante gli anni 70, nel quale questo grande numero di particelle venne spiegato in termini della combinazione di un numero (relativamente) piccolo di particelle fondamentali.

Il Modello Standard della fisica delle particelle

L'attuale classificazione delle particelle elementari viene chiamata Modello Standard. Esso descrive la forza nucleare forte, la forza nucleare debole e l'elettromagnetismo (tre delle quattro forze fondamentali), tramite dei bosoni mediatori, conosciuti come bosoni di gauge. I bosoni di gauge sono: fotoni, bosoni W^-, bosoni W⁺, bosoni Z e gluoni. Il modello contiene inoltre 24 particelle fondamentali, che sono le costituenti della materia. Infine, prevede l'esistenza di un tipo di bosone conosciuto come bosone di Higgs, che deve ancora essere scoperto.

Ulteriori sviluppi dovranno inoltre comprendere una teorica quantistica della gravitazione, per l'unificazione definitiva delle tre forze citate con la gravità: la relatività generale si basa infatti sul modello "classico" di spaziotempo continuo in cui il valore del campo gravitazionale può assumere un valore arbitrariamente piccolo. Essa è dunque incompatibile col modello standard, dove l'intensità dei campi dipende dalle particelle coinvolte e assume perciò solo determinati valori.

Ciononostante, per circa trent'anni il modello standard ha resistito alle evidenze sperimentali; solo ultimamente alcune osservazioni astronomiche sullo spostamento verso il rosso dei quasar più lontani, insieme ad alcuni risultati sperimentali sulla massa del neutrino e sulla misura del momento magnetico del muone, hanno introdotto il dubbio che non si tratti di un modello completo.

Fisica delle particelle sperimentale

Nel campo della fisica delle particelle, i maggiori centri di ricerca sono:

il CERN, posto sul confine franco-svizzero vicino a Ginevra. Dove sono installati il LEP (Large Electron Positron collider), ora smantellato e l'LHC (Large Hadron Collider), in fase di costruzione.
Il DESY, situato ad Amburgo in Germania, che ospita l'HERA, che collide elettroni o positroni con protoni.
Lo SLAC, a Stanford in California (Stati Uniti), che ospita il PEP-II, che collide elettroni e positroni.
Il Fermilab, di Chicago, USA, con il Tevatron, che collide protoni ed antiprotoni.
Il Brookhaven National Laboratory, di Long Island (USA), dove si trova il Relativistic Heavy Ion Collider, che collide ioni pesanti (come gli ioni d'oro) con dei protoni.
Il centro di Frascati dell' INFN in Italia, dove ha sede DAFNE, per la collisione di elettroni e positroni.

Oltre a questi, esistono molti altri laboratori nazionali e internazionali, che ospitano uno o più acceleratori di particelle.

Fisica delle particelle e riduzionismo

Durante tutto lo sviluppo della fisica delle particelle, ci sono state molte obiezioni all'estremo approccio riduzionista, che cerca di spiegare qualsiasi cosa in termini di particelle elementari e delle loro interazioni. Queste obiezioni sono state sollevate da gente dei campi più disparati, compresi molti moderni fisici delle particelle, fisici dello stato solido, chimici, biologi ed olisti metafisici. Mentre il modello standard non viene discusso, si sostiene che le proprietà delle particelle elementari non sono più fondamentali delle proprietà emergenti di atomi e molecole, e specialmente di insiemi di queste ultime statisticamente grandi. Queste critiche sostengono che anche una conoscenza completa delle particelle elementari sottostanti, non produrrà una conoscenza completa della natura, conoscenza che, all'atto pratico, è più importante.

Alcuni fisici dello stato solido mettono in dubbio ad un livello più profondo la nozione della fisica delle particelle come base per ogni altra conoscenza. Fanno notare che grandi numeri di oggetti possono subire comportamenti statistici ed avere proprietà indipendenti dalle proprietà delle particelle stesse.

Per di più, rilevano, ci sono sistemi con componenti radicalmente diversi che possono subire comportamenti molto simili, e si è argomentato che le somiglianze di comportamento possono essere meglio comprese attraverso regole universali indipendenti dalle proprietà dei componenti dei sistemi stessi. Queste regole o metodi o processi sarebbero "più reali della materia" in quando determinerebbero come gli osservatori condividano una comprensione della materia, e porrebbero limiti sulla fattibilità investigativa.

I riduzionisti tipicamente sostengono che tutto il progresso scientifico ha implicato forme di riduzionismo. Una breve contestazione di questo approccio, che tuttavia espone i problemi maggiori, è la seguente. Un computer è composto di circuiti elettronici, che eseguono delle istruzioni. Ora l'approccio riduzionista cerca di spiegare il software a partire dalle specifiche componenti elettroniche. Visto che il software, volendo, può essere eseguito su altre architetture, ed anche a mano, la cosa non ha ovviamente senso. Sarebbe come cercare di spiegare le variazioni Goldberg in termini di onde di pressione: se per ipotesi si potesse stimolare direttamente il nervo acustico per ottenere sensazioni uditive, tutta la spiegazione non avrebbe senso.

L'esistenza del modello standard, e la sua estensione, suscitano molte questioni fondamentali per l'epistemologia, la filosofia della scienza, la filosofia della matematica, la scienza cognitiva e persino la teologia. Il modello standard è "il livello fondamentale della realtà?" Oppure questa pretesa è stravagante, irragionevole, pericolosa o peggio? Si veda ontologia fondamentale della fisica delle particelle.

Per una discussione molto più generale dell'accettazione culturale di tali modelli come "reali", si veda ontologia fondamentale e cosmologia. La fisica delle particelle ha avuto un impatto importante sulla filosofia della scienza specialmente rispetto alla difficoltà della sua validazione empirica, e continua ad essere origine di qualche controversia - anche se meno che nel XX secolo quando, prima che il modello standard fosse stabilito, era stata descritta una sconcertante varietà di particelle; questo era talvolta chiamato lo "zoo delle particelle". Ora questo termine è generalmente deprecato.

Fisica delle particelle e politiche pubbliche

I risultati sperimentali della fisica delle particelle sono investigati usando enormi acceleratori di particelle, che tipicamente costano svariati miliardi di euro e richiedono ingenti finanziamenti pubblici. A causa di ciò, la fisica delle particelle, ha implicazioni nella gestione della cosa pubblica.

Molti hanno obiettato che le potenziali scoperte, non giustificano i soldi spesi, e che in effetti la fisica delle particelle sottrae soldi a settori di ricerca più importanti e al sistema dell'istruzione. Proprio per questo tipo di lamentele, nel 1993, il congresso degli Stati Uniti fermò la costruzione del Superconducting Super Collider, dopo che erano già stati investiti 2 miliardi di dollari.

I sostenitori degli acceleratori di particelle, sostengono invece che questo tipo di investigazioni meriti un sovvenzionamento adeguato, e che anche altri campi della ricerca scientifica ne traggano beneficio in vari modi. Essi puntualizzano il fatto che tutti gli acceleratori odierni sono progetti internazionali e obiettano che i soldi spesi negli acceleratori sarebbero comunque spesi in ricerca scientifica ed istruzione.

Voci correlate

Collegamenti esterni

Storia della fisica delle particelle elementari