Una tabella dei mesoni fatta in casa, per ricordare la composizione dei quark di valenza.

Lo studente non ama le particelle. Sono troppe, con troppe proprietà che si conservano o talvolta no, e portano nomi scemi che finiscono tutti in -one (bosoni e fermioni, adroni e leptoni, fotoni, gluoni, barioni e mesoni, elettroni e positroni, muoni, neutrini, neutroni, protoni, pioni, kaoni…). Pensa che sia una fortuna che Murray Gell-Mann si sia arrogato il diritto di battezzare le particelle più fondamentali e affascinanti con un nome di fantasia, i quark, da una parola inventata da Joyce nel Finnegan’s wake, romanzo in polilingua inventata, di cui egli lesse con gran fatica la prima pagina per la mia tesina di maturità, che rimane ancora il suo lavoro più bello e originale. Come per la chimica, lo studente  si prepara imparando regole di combinazione di cui non solo perchè ha già studiato altri esami, e si è tenuto questo per ultimo, conosce l’origine. Altrimenti dovrebbe accettarle come un ingrediente un po’ sciamanico. Per fortuna all’esame non gli viene richiesta l’esposizione mnemonica della tavola periodica delle particelle, ma di ragionare intorno ad alcuni esperimenti.

In particolare, si prenda in considerazione un esperimento di collisione di elettrone-positrone. Il positrone è l’antiparticella dell’elettrone, e come tutti sanno l’antimateria annichilisce la materia (eppure la gente pensa ancora che l’esistenza dell’antimateria sia un fatto controverso e misterioso! Per un fisico, è un dato di fatto da almeno 70 anni). La coppia di particelle si annichila in uno stato puramente quantistico, una specie di vuoto eccitato con le proprietà di un fotone, la particella che media l’interazione elettromagnetica. Questo fotone non è reale, non vive di vita propria come vivono di vita propria i fotoni delle onde elettromagnetiche*, perchè da un urto inelastico elettrone-positrone per semplice conservazione dell’energia e della quantità di moto non può uscire una particella di massa nulla (non sarebbe conservata la quantità di moto nel centro di massa). Questa violazione delle leggi più fondamentali della fisica può avvenire solo per un tempo sufficientemente breve, quanto permesso dal principio di indeterminazione di Heisenberg (in forma energia-tempo)

ove h è la costante di Planck. Passato questo breve lasso di tempo, il fotone deve materializzarsi in una configurazione finale che sia compatibili con le leggi di conservazione, rispetto all’urto iniziale, una nuova coppia di particella-antiparticella, che viaggiano in direzione opposta (rispetto al riferimento del centro di massa) e quindi non si annichilano tra loro, ma proseguono per stade differenti. Per esempio, questa può essere una coppia di quark-antiquark. Ma attenzione! I quark non esistono per conto loro, esistono solo confinati entro particelle più grandi (gli adroni) che possono contenere tre quark (i barioni), oppure un quark e un antiquark (i mesoni). Pertanto appena creati essi emettono un gluone, una particella senza massa che è il mediatore dell’interazione forte, interazione che coinvolge solamente quark e gluoni e che è responsabile del legame tra i protoni e neutroni nel nucleo. Il gluone è emesso immediatamente: infatti l’interazione si dice "forte" poprio perchè è molto alta la probabilità di emissione dei gluoni, di dieci volte più alta che la probabilità di emissione dei fotoni. Questi gluoni si manifestano nuovamente in coppie di quark-antiquark, che emettendo nuovi gluoni generano una pioggia di quark che si combinano tra loro manifestandosi negli barioni e nei mesoni. Per cui un urto elettrone e positrone, se si realizza in quark, genera due jets di adroni.

Talvolta di jets se ne vedono tre: in questo caso il primo gluone emesso è talmente energetico (gluone "duro") che produce un getto di adroni in una direzione distinguibilmente diversa dagli altri due. In genere il jet gluonico è un pò meno collimato, ma la distinzione viene fatta su base statistica. Studiando la distribuzione angolare di questo terzo jet rispetto al centro di massa comune degli altri due, si può scoprire che il gluone è una particella di spin 1 e di parità -, quindi un vettore. Siccome ci sono due vertici elettromagnetici, la sezione d’urto della prima configurazione a due jet è proporzionale al quadrato della costante di interazione elettrica:

* Ci si potrebbe chiedere, da dove vegnono quindi i fotoni emessi all’infinito? Non sono anch’essi fotoni di interazione? La risposta è: dalla radiazione di particelle cariche dovuta all’accelerazione in un campo magnetico. Chissà che non si possano fare delle considerazioni a riguardo sulla necessità di una radiazione all’infinito per conservare l’informazione, e sul ruolo dello scambio di informazione nell’interazione elettromagnetica (anche classica). Dovrò studiarmi l’entropia del campo elettromagnetico.