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Quanto può essere grande una particella elementare?

8 Gennaio 2021

Illustration by Sandbox Studio, Chicago with Steve Shanabruch

Traduzione dell’articolo di Sarah Charley apparso su Symmetry Magazine l’29/09/2020:
https://www.symmetrymagazine.org/article/how-big-can-a-fundamental-particle-be

Particelle elementari estremamente massive potrebbero esistere, ma andrebbero seriamente in conflitto con la nostra comprensione della meccanica quantistica.

Le particelle elementari sono oggetti talmente piccoli da non avere un’ulteriore struttura interna.

Ci sono circa una dozzina di particelle di “materia” che gli scienziati pensano siano elementari e si presentano e presentano diverse grandezze. Per esempio, la differenza tra le masse del quark top e dell’elettrone è equivalente alla differenza tra le masse di un elefante adulto e di una zanzara.

Eppure tutte queste masse sono estremamente minuscole se confrontate con quanto è fisicamente possibile. Le leggi della fisica a noi note ammettono particelle elementari con masse prossime alla “massa di Planck”: un incredibile 22 microgrammi o quasi la massa di un ciglio umano. Per tornare al confronto con le particelle attualmente conosciute, se il quark top avesse la stessa massa di un elefante allora una particella elementare alla massa di Planck peserebbe quanto la Luna.

Potrebbe esistere una particella così? Secondo Dorota Grabowska, ricercatrice del gruppo teorico del CERN, gli scienziati non ne sono completamente sicuri.

“Particelle con una massa inferiore alla scala di Planck potrebbero essere elementari”, afferma Grabowska. “Con una massa superiore potrebbero non esserlo. Ma non lo sappiamo”.

Gli scienziati agli acceleratori di particelle come il Large Hadron Collider del CERN sono sempre alla ricerca di particelle massive sconosciute che potrebbero riempire le lacune dei loro modelli. Trovare nuove particelle è così importante che la comunità globale della fisica sta discutendo la costruzione di acceleratori più grandi che potrebbero produrre particelle ancora più massive. Il coinvolgimento degli Stati Uniti in LHC è supportato dall’Office of Science del Department of Energy degli Stati Uniti e dal National Science Foundation.

Se gli scienziati trovassero una particella elementare con una massa superiore alla scala di Planck, avrebbero bisogno di rivedere il loro modo di pensare alle dimensioni delle particelle. Per il tipo di ricerca condotta a LHC, le particelle elementare sono considerate tutte della stessa dimensione – ovvero nessuna dimensione.

“Quando pensiamo alla pura matematica, le particelle elementari sono, per definizione, puntiformi” afferma Grabowska. “Non hanno una dimensione”.

Trattare le particelle elementare come punti funziona bene in fisica delle particelle perché le loro masse sono così piccole che la gravità, che avrebbe un effetto su oggetti più massivi, non è un fattore da includere. E’ un po’ come gli autisti di camion che, nell’organizzare un viaggio, non hanno bisogno di considerare gli effetti della relatività speciale e della dilazione del tempo. Questi effetti ci sono, a qualche livello, ma non hanno un impatto evidente sul tempo di viaggio. Una particella elementare al di sopra della scala di Planck si troverebbe al confine tra due modelli matematici divergenti. La meccanica quantistica descrive oggetti che sono molto piccoli e la relatività generale descrive oggetti che sono molto massivi. Ma per descrivere una particella che è sia molto piccola che molto massiva, gli scienziati hanno bisogno di una teoria chiamata gravità quantistica.

Matematicamente, i fisici non potrebbero più considerare questa particella massiva come un punto privo di volume. Avrebbero bisogno invece di pensarla come un qualcosa che si comporta più come un’onda. Il concetto di dualismo onda-corpuscolo (o onda-particella) è nato circa 100 anni fa e stabilisce che le particelle subatomiche possiedono sia proprietà corpuscolari che ondulatorie. Quando gli scienziati pensano a un elettrone come se fosse una particella, considerano che questo sia privo di un volume fisico.

Quando invece lo assimilano a un’onda, questo si estende in tutto lo spazio a disposizione, come l’orbita attorno al nucleo di un atomo. Entrambe le interpretazioni sono corrette e gli scienziati tipicamente usano quella che meglio si adatta alla loro area di ricerca.

Il rapporto massa-raggio di queste onde è importante in quanto determina come queste risentono degli effetti della gravità. Una particella super massiva con molto spazio in cui muoversi sentirebbe appena la forza di gravità. Ma se quella stessa particella fosse confinata in uno spazio estremamente piccolo, collasserebbe in un buco nero in miniatura. Gli scienziati all’LHC hanno cercato questi minuscoli buchi neri – che evaporerebbero immediatamente – ma fino ad ora sono rimasti a mani vuote.

Come sostiene Grabowska, la gravità quantistica è complicata perché non c’è modo di testarla sperimentalmente con la tecnologia esistente al giorno d’oggi. “Avremmo bisogno di un collisore di 14 ordini di grandezza più energetico di LHC”, dice Grabowska.

Tuttavia pensare alle implicazioni che la scoperta di una particella di questo tipo potrebbe avere, aiuta i teorici a spingersi oltre le leggi note della fisica.

“Il nostro modello della fisica delle particelle non funziona più se spinto a certe scale di energia” afferma Netta Engelhardt, fisica teorica della gravità quantistica al Massachusetts Institute of Technology. “Ma questo non significa che il nostro universo non includa questi regimi. Se vogliamo comprendere gli oggetti massivi a piccolissime scale, abbiamo bisogno di un modello di gravità quantistica“.

 

Traduzione a cura di Susanna Bertelli.
Revisione a cura di Erika De Lucia.

Ultima modifica: 13 Gennaio 2021