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sabato 15 giugno 2019

Quark, stranezza e fascino

#spacerock #MurrayGellMann #quark cc @cosmobrainonair @astrilari @Pillsofscience @stefacrono @Scientificast e anche se non è metal @real_fabristol
Gli Hawkwind sono una delle prime band del così detto space rock, un sottogenere del rock con forti ispirazioni fantascientifiche. A differenza del surf rock dei Man or Astro-Man?, lo space rock degli Hawkwind ha più influenze musicali, è molto meno strumentale e in qualche modo è meno giocoso. Al di là dei gusti personali (c'è troppo proto-punk nel loro stile), in un genere definito come space rock le fascinazioni scientifiche non possono mancare e così ecco il singolo Quark, Strangeness and Charm, title track del settimo album in studio del gruppo (1977) nonché primo singolo della raccolta Road to Utopia (2018).
A differenza di quanto indicato nel titolo, la canzone è invece dedicata ad Albert Einstein e alla sua teoria della relatività, ma anche a un pezzo che da tale teoria è assente, come veniamo a sapere da questi versi dove il titolo viene ripreso:
One thing he missed out in his theory
of time, space and relativity
Is something that makes it very clear
He was never gonna score like you'n'me
He didn't know about Quark, Strangeness and Charm
Ed è proprio ai quark che provo a rivolgere brevemente la mia attenzione, un modo per ricordare, seppur con ritardo, il grande Murray Gell-Mann, scomparso il 24 maggio 2019.
L'origine del nome
E' abbastanza nota l'origine del nome per queste nuove particelle, all'inizio solo teorizzate da Gell-Mann. Il fisico teorico era, infatti, alla ricerca di un nome per questi nuovi componenti fondamentali della materia. "Brancolava nel buio" fino a che non incappò in questo passo tratto da Finnegans Wake di James Joyce:
- Three quarks for Muster Mark!
Sure he hasn't got much of a bark
And sure any he has it's all beside the mark.
In particolare lo colpì quella che nella sua testa era la pronuncia della parola, kwork. In qualche modo, non solo il nome (ad esempio Zweig preferiva il nome ace), ma anche la pronuncia divennero quelle principali per riferirsi ai mattoni fondamentali della materia.
Vediamo, però, come questa storia si è evoluta nel tempo.
Le parti e il tutto

Gell-Mann - via commons
C'era una volta il così detto zoo delle particelle. Questo era costituito da una lunghissima serie di particelle che venivano scoperte "a piene mani" dagli acceleratori di particelle tra la fine degli anni Cinquanta e i primi dei Sessanta del XX secolo. L'esistenza di tali particelle non era stata prevista da nessun modello fisico basato sulla meccanica quantistica, né si riusciva a dare conto della loro esistenza a partire dagli elementi noti all'epoca. Una prima soluzione al problema venne avanzata dal fisico giapponese Shoichi Sakata nel 1956(2): nel suo modello protoni, neutroni e barioni Lambda erano le particelle elementari, mentre il resto dei barioni erano costituiti da sovrapposizioni di queste particelle. In effetti, come vedremo a breve, il modello di Sakata non era così lontano dall'essere corretto.
Nel 1964, indipendentemente l'uno dall'altro, Gell-Mann(5) e George Zweig(6) proposero un modello similare sui costituenti fondamentali degli adroni. Entrambi i lavori erano basati sulla così detta via dell'ottetto di Gell-Mann del 1961(3), ed è fondamentalmente per questo che le due proposte di Gell-Mann e Zweig possono essere considerate come un modello unico.
Ad ogni modo la loro proposta era semplice: protoni, neutroni e tutti gli altri adroni che venivano scoperti negli acceleratori di particelle non erano particelle elementari, ma a loro volta costituiti da una nuova famiglia di particelle, queste sì elementari. In particolare all'interno gli adroni erano costituiti da una combinazione di quark e anti-quark di tre tipi distinti, up, down e strange. L'interazione nucleare forte che teneva uniti i quark all'interno degli adroni era trasportata da un nuovo tipo di bosone, il gluone, una specie di fotone nucleare, anche se con alcune fondamentali differenze (eventualmente ne discuterò in altra occasione).
In qualche modo tutti questi lavori, incluso quello di Yuval Ne'eman del 1961(4) e sempre basato sull'articolo di Gell-Mann di quell'anno, erano figli del potenziale di Yukawa. Nel 1935 Hideki Yukawa(1), per spiegare come mai protoni e neutroni si trovassero impacchettati all'interno del nucleo atomico senza respingersi (i protoni) o disperdersi (i neutroni), vista la debolezza della forza gravitazionale a livello microscopico, propose un nuovo genere di potenziale che prevedeva l'esistenza di una nuova particella, poi effettivamente scoperta: il mesone.
Il modello di Yukawa, quindi, suggeriva l'esistenza di un terzo componente all'interno del nucleo atomico, ma non si spingeva fino agli estremi dei modelli di Gell-Mann e Zweig e di Ne'eman, che prevedevano che anche i nucleoni stessi fossero a loro volta composti da altre particelle.
Sempre durante il 1964 Sheldon Lee Glashow e James Bjorken predissero l'esistenza di un quarto quark, lo charm(7), mentre nel corso degli anni Settanta diversi furono i lavori teorici che mostravano la necessità di avere sei quark in tutto. Il primo a dare loro il nome con cui gli ultimi due quark sono noti, ovvero top e bottom fu Haim Harari nel 1975(8).
Ad ogni modo i successi predittivi del modello a quark misero da parte sia i sakatoni, sia il modello di Ne'eman, sia il modello a partoni proposto da Richard Feynman nel 1969, portando Gell-Mann a vincere, sempre nel 1969, il premio Nobel per la fisica.

  1. Yukawa, H. (1935). On the interaction of elementary particles. I. Proceedings of the Physico-Mathematical Society of Japan. 3rd Series, 17, 48-57. 
  2. Sakata, S. (1956). On a composite model for the new particles. Progress of theoretical physics, 16(6), 686-688. doi:10.1143/PTP.16.686 
  3. Gell-Mann, M. (1961). The Eightfold Way: A Theory of Strong Interaction Symmetry, Caltech Report CTSL-20 (1961) doi:10.2172/4008239 
  4. Ne'eman, Y. (1961). Derivation of strong interactions from a gauge invariance. Nuclear physics, 26(2), 222-229. doi:10.1016/0029-5582(61)90134-1 
  5. M. Gell-Mann (1964). A Schematic Model of Baryons and Mesons. Physics Letters. 8 (3): 214–215. doi:10.1016/S0031-9163(64)92001-3 
  6. G. Zweig (1964). An SU(3) Model for Strong Interaction Symmetry and its Breaking: part I, CERN Report No.8182/TH.401 (pdf), part II CERN Report No.8419/TH.412 (pdf
  7. Bjørken, B. J., & Glashow, S. L. (1964). Elementary particles and SU (4). Physics Letters, 11, 255-257. doi:10.1016/0031-9163(64)90433-0 
  8. Harari, H. (1975). A new quark model for hadrons. Physics Letters B, 57(3), 265-269. doi:10.1016/0370-2693(75)90072-6 

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