Lo zoo delle particelle si espande

All’inizio degli anni ’40, sembrava che i fisici avessero capito le particelle fondamentali e le loro interazioni. Sapevano di elettroni, protoni e neutroni, così come dei neutrini e persino dei positroni, le “antiparticelle” degli elettroni che Paul Dirac aveva previsto negli anni ’20. Avevano capito che c’erano forze oltre la gravità e l’elettromagnetismo, le forze nucleari forti e deboli, e stavano lavorando per comprenderle meglio.

Ma sono emersi enigmi quando sono apparse nuove particelle inaspettate. I fisici scoprirono i muoni nei raggi cosmici usando un esperimento di camera a nubi nel 1936. (Il nome “camera di nuvole” deriva dal fatto che le particelle elettricamente cariche che viaggiano attraverso il vapore acqueo formano piccole scie di nuvole nella loro scia). Trovarono i pioni con mezzi simili nel 1947.

Lo stesso anno, Butler e Rochester annunciarono di aver trovato particelle che chiamarono V+ e V0. Da una serie di “biforcazioni insolite” nei loro dati, dedussero l’esistenza di due particelle abbastanza massicce, una carica positiva e l’altra neutra, che si erano scisse in altre particelle.

Le particelle avevano una serie di caratteristiche curiose. Per prima cosa, erano pesanti – circa cinque volte la massa di un muone – il che ha portato a un altro enigma. Normalmente, le particelle più pesanti hanno una vita più breve, il che significa che rimangono in giro per meno tempo prima di decadere in altre particelle più leggere. Ma mentre gli esperimenti continuavano, i ricercatori hanno scoperto che, nonostante il loro peso, le particelle avevano una vita relativamente lunga.

Un’altra strana caratteristica: Le particelle erano facili da produrre, ma i fisici non sembravano mai essere in grado di produrne una sola alla volta. Spacca un pione e un protone insieme, per esempio, e puoi creare le nuove particelle, ma solo in coppia. Allo stesso tempo, potevano decadere indipendentemente l’una dall’altra.

Uno strano nuovo mondo

Negli anni ’50, Murray Gell-Mann, Kazuo Nishijima, Abraham Pais e altri idearono un modo per spiegare alcuni dei curiosi comportamenti esibiti dai kaoni e da altre particelle appena scoperte. L’idea era che queste particelle avessero una proprietà chiamata “stranezza”. Oggi, i fisici intendono la stranezza come un numero quantico fondamentale associato a una particella. Alcune particelle hanno stranezza uguale a zero, ma altre particelle potrebbero avere stranezza uguale a +1, -1, o in linea di principio qualsiasi altro numero intero.

Importante, la stranezza deve rimanere costante quando le particelle sono prodotte attraverso le forze nucleari forti, ma non quando decadono attraverso le forze nucleari deboli.

Nell’esempio precedente, in cui un pione e un protone si scontrano, entrambe queste particelle hanno stranezza uguale a 0. Inoltre, questa interazione è governata dalla forza forte, quindi anche la stranezza delle particelle risultanti deve sommare a zero. Per esempio, i prodotti potrebbero includere un kaon neutro, che ha stranezza 1, e una particella lambda, che ha stranezza -1, che annulla la stranezza del kaon.

Questo spiega perché le particelle strane appaiono sempre in coppia. Il fatto che sono costruite attraverso le interazioni forti ma decadono attraverso le interazioni deboli, che tendono a richiedere più tempo per essere eseguite, spiegava i tempi di decadimento relativamente lunghi.

Queste osservazioni hanno portato a diverse altre intuizioni fondamentali, dice Jonathan Rosner, un fisico teorico dell’Università di Chicago. Mentre Gell-Mann e colleghi sviluppavano la loro teoria, videro che potevano organizzare gruppi di particelle in grappoli legati da stranezza e carica elettrica, uno schema conosciuto oggi come L’Ottuplice Via. Gli sforzi per spiegare questa organizzazione portarono alla predizione di un insieme di particelle sottostante: i quark.

Il lungo e il corto

Un’altra importante caratteristica della teoria della stranezza: Quando gli scienziati hanno scoperto che i kaon strani potevano decadere, per esempio, in pioni ordinari, hanno ipotizzato che l’interazione nucleare debole, a differenza dell’interazione nucleare forte, non aveva bisogno di mantenere costante la stranezza. Questa osservazione mise in moto una serie di sviluppi teorici e sperimentali con i quali i fisici sono ancora oggi alle prese.

Basandosi sulle teorie che suggerivano che il kaon neutro dovesse avere un’antiparticella di stranezza opposta al kaon neutro standard, Gell-Mann e Pais pensarono che il kaon neutro potesse, attraverso processi complessi che coinvolgono interazioni deboli, trasformarsi nella sua antiparticella.

Lo schema ha una conseguenza significativa: Implica che ci sono due nuove particelle – in realtà diverse combinazioni del kaon neutro e della sua antiparticella – con differenti tempi di vita. K-long, come è ora chiamato, dura in media circa 50 miliardesimi di secondo, mentre K-short dura poco meno di un decimo di miliardesimo di secondo prima di rompersi. La previsione di queste particelle era tra i risultati preferiti di Gell-Mann, dice Rosner, per la facilità con cui emergevano dalla fisica quantistica di base.

Una simmetria della natura, detronizzata

Una delle cose importanti di K-lungo e K-corto, almeno nella teoria di Gell-Mann e Pais, era che obbedivano a qualcosa chiamata simmetria CP. Approssimativamente, la simmetria CP dice che se si scambiasse ogni particella con la sua antiparticella e si capovolgesse lo spazio in una sorta di universo speculare, le leggi della fisica rimarrebbero le stesse. La simmetria CP vale in tutta la fisica classica, ed è stata la variante quantistica di CP che ha motivato Gell-Mann e Pais. (Tecnicamente, Gell-Mann e Pais erano originariamente motivati dalla sola simmetria C, ma dovettero aggiornare la loro teoria una volta che gli esperimenti determinarono che le interazioni deboli violavano sia la coniugazione di carica che la simmetria di parità – ma in modo tale che la CP stessa sembrava rimanere una buona simmetria).

Ironicamente, un risultato motivato dalla simmetria CP ha portato alla sua caduta: Nel 1964, James Cronin, Val Fitch e collaboratori che lavoravano al Brookhaven National Laboratory scoprirono che il K-long poteva – molto raramente – rompersi in due pioni, una reazione che viola la simmetria CP. I decadimenti dei kaon violavano la simmetria CP, dopo tutto.