La fisica delle particelle che è in te

Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova

Traduzione dell’articolo di Ali Sundermier apparso su Symmetry Magazine il 03/11/15:
https://www.symmetrymagazine.org/article/the-particle-physics-of-you

Non solo siamo fatti di particelle fondamentali, ma le produciamo e per tutto il giorno ne siamo bombardati costantemente.

Quattordici miliardi di anni fa, quando quel granello bollente e denso che era il nostro universo si espandeva rapidamente, tutta la materia e l’antimateria esistenti avrebbero dovuto annichilarsi lasciando così nient’altro che energia. E tuttavia una piccola quantità di materia sopravvisse.

Ci ritrovammo con un mondo traboccante di particelle. E non particelle qualsiasi, ma aventi precisamente la massa e la carica elettrica atte a consentire lo sviluppo della vita umana. Ecco qualche dato sulla fisica delle particelle che fa parte di te che farà sobbalzare i tuoi elettroni.

Le particelle di cui siamo composti

Circa il 99 % del tuo corpo è composto da atomi di idrogeno, carbonio, azoto e ossigeno. Contieni anche, in quantità minori, gli altri elementi essenziali alla vita.

Mentre la maggior parte delle cellule del tuo corpo si rigenera ogni 7-15 anni, molte delle particelle che compongono queste ultime esistono in realtà da milioni di millenni. I tuoi atomi di idrogeno sono stati prodotti durante il Big Bang e quelli di carbonio, azoto e ossigeno sono stati generati all’interno di stelle ardenti. Gli elementi più pesanti sono stati formati dall’esplosione di stelle.

La dimensione di un atomo dipende dalla localizzazione media dei suoi elettroni. I nuclei sono 100000 volte più piccoli degli atomi che li ospitano. Se il nucleo avesse le dimensioni di una nocciolina, l’atomo avrebbe pressappoco la grandezza di uno stadio di baseball. Se perdessimo tutto lo spazio vuoto presente all’interno dei nostri atomi, ognuno di noi sarebbe in grado di entrare in una particella di polvere di piombo, e l’intera razza umana occuperebbe il volume di una zolletta di zucchero.

Come si può immaginare, queste particelle rarefatte costituiscono solo una porzione minuscola della nostra massa. I protoni e i neutroni che si trovano nel nucleo di un atomo si compongono ciascuno di tre quark. La massa di questi ultimi – derivante dalla loro interazione con il campo di Higgs – rappresenta solo una piccola percentuale della massa di un protone o di un neutrone. I gluoni, mediatori della forza nucleare forte che tiene insieme questi quark, sono completamente privi di massa.

Se la tua massa non deriva dalle masse di queste particelle, allora da cosa risulta? La risposta è: energia. Gli scienziati credono che la maggior parte della massa del tuo corpo derivi dall’energia cinetica dei quark e da quella vincolante dei gluoni.

Le particelle che produciamo

Il tuo corpo è una miniera di particelle radioattive su scala ridotta. Ogni anno ricevi una dose di 40 millirem dall’attività radioattiva prodotta naturalmente al tuo interno. Equivale alla stessa quantità di radiazioni alle quali ti esporresti sottoponendoti a quattro radiografie toraciche. Il tuo livello di radiazione può innalzarsi di uno o due millirem ogni otto ore di sonno trascorse accanto alla persona che ami, analogamente radioattiva.

Tale radioattività dipende dal fatto che molti degli alimenti che assumi, delle bevande che bevi e persino dell’aria che respiri contengono radionuclidi, come il potassio 40 e il carbonio 14. Essi vengono incorporati nelle tue molecole, per poi decadere e produrre radiazioni all’interno del tuo corpo.

Quando il potassio 40 decade, esso rilascia un positrone, il gemello di antimateria dell’elettrone, perciò contieni anche una piccola quantità di antimateria. In media l’essere umano produce più di 4000 positroni al giorno, circa 180 ogni ora. Ma non ci vuole molto prima che questi positroni si imbattano nei tuoi elettroni, annichilandosi ed emettendo così radiazione sotto forma di raggi gamma.

Le particelle che incontriamo

La radioattività originata all’interno del tuo corpo è solo una frazione di quella con cui entri in contatto quotidianamente in maniera naturale (e innocua). L’americano medio riceve una dose di radiazione che si aggira intorno ai 620 millirem all’anno. Ciò di cui ti nutri, la casa in cui vivi, le rocce e il suolo su cui cammini, tutto ti espone a bassi livelli di radioattività. Anche il semplice mangiare una noce brasiliana o andare dal dentista possono aumentare la tua dose di radiazione di qualche millirem. Fumare sigarette può portarti a 16000 millirem.

I raggi cosmici – radiazione ad alta energia proveniente dallo spazio – sbattono costantemente contro la nostra atmosfera. Lì, essi collidono con altri nuclei producendo mesoni, molti dei quali decadono in particelle quali muoni e neutrini. Tutte queste particelle piovono sulla superficie terrestre e ti attraversano a un tasso di circa 10 al secondo, aggiungendo circa 27 millirem alla tua dose annuale. Queste particelle cosmiche possono talvolta perturbare la nostra genetica, causando leggere mutazioni, e potrebbero essere un fattore determinante del processo evolutivo.

Oltre a bombardarci di fotoni, che determinano il modo in cui vediamo il mondo che ci circonda, il nostro Sole libera un’orda di particelle chiamate neutrini. I neutrini sono degli assidui visitatori del tuo corpo, sfrecciando attraverso di esso a un ritmo che sfiora i 100 trilioni al secondo. A parte quelli provenienti dal Sole, i neutrini scaturiscono anche da altre fonti, incluse le reazioni nucleari che avvengono in altre stelle e sul nostro pianeta.

Molti neutrini sono in circolazione sin dai primi secondi di vita dell’Universo, battendo persino i tuoi stessi atomi. Tuttavia, queste particelle interagiscono così debolmente da passare attraverso di te senza lasciare traccia della loro visita.

È probabile che tu stia fronteggiando anche una pioggia costante di particelle di materia oscura. La materia oscura non emette, riflette o assorbe luce, risultando piuttosto difficile da rilevare; eppure gli scienziati ritengono che costituisca circa l’80 % di quella esistente in tutto l’Universo.

Considerando la densità della materia oscura presente nel Cosmo, secondo le stime degli esperti è possibile che centinaia di migliaia di queste particelle ti attraversino ogni secondo, collidendo con i tuoi atomi circa una volta al minuto. Ma la materia oscura non interagisce in maniera particolarmente forte con quella di cui sei composto, perciò è improbabile che quelle particelle abbiano sul tuo corpo degli effetti sensibili.

La prossima volta che ti chiedi in che modo la fisica delle particelle trovi applicazione nella tua vita, dai un’occhiata dentro di te.

Traduzione a cura di Camilla Paola Maglione, Ufficio Comunicazione INFN-LNF