L' esistenza del neutrino fu ipotizzata nel 1933 dal fisico austriaco Wolfgang
Pauli (Nobel 1945) per spiegare la variabilità dell'energia cinetica degli
elettroni emessi dai nuclei soggetti al decadimento radioattivo di tipo
b.
Pauli postulò l'esistenza di una particella priva sia di massa che di carica
elettrica, per rendere conto del fatto che gli elettroni emessi sono
caratterizzati da energie cinetiche comprese tra zero ed un valore massimo.
Ammettendo l'esistenza del neutrino, si giustifica per il decadimento
b la
validità dei principi di conservazione dell'energia e della quantità di moto.
Infatti,se si postula che i neutrini vengano emessi con velocità opposte a
quelle degli elettroni e con energie cinetiche tali che sommate a quelle degli
elettroni diano un valore costante, si giustificano immediatamente le modalità
osservate sperimentalmente per il decadimento b.
Essendo ritenuta quasi nulla la massa dei neutrini, si deve ammettere che essi si
muovano con una velocità quasi uguale a quella della luce.
Esistono tre tipi di neutrini con le rispettive
antiparticelle,associati rispettivamente all'elettrone,al muone ed alla
particella t (tauone) .
I neutrini appartengono alla famiglia dei leptoni e sono
soggetti alla sola forza debole.
La scoperta del neutrone si deve al fisico inglese Chadwick (Nobel 1935), il
quale fornì una nuova interpretazione degli esperimenti effettuati da Bothe e
Becker (1930) e dai coniugi francesi Joliot-Curie (1932), bombardando bersagli
di boro e di berillio con le particelle a
(nuclei di elio) emesse dal radio.
Bothe e Becker e Joliot-Curie pensavano che il bombardamento con particelle
a
determinasse l'emissione di fotoni g
di alta energia da parte dei nuclei di B e
Be; invece le prove teorico-sperimentali prodotte da Chadwick, evidenziarono
l'esistenza del neutrone nei nuclei atomici, che anteriormente al 1932 si
riteneva fossero costituiti da protoni ed elettroni.
Il neutrone è privo di
carica elettrica ed ha una massa circa uguale a quella del protone.
Appartiene
alla famiglia degli adroni ed è soggetto pertanto sia alle interazioni forti che
a quelle deboli.
Esso inoltre, pur essendo privo di carica elettrica,
è dotato di un momento magnetico mediante il quale può interagire con un campo
elettromagnetico.
Il neutrone ed il protone vengono entrambi
definiti nucleoni, in quanto costituiscono i nuclei atomici.
Enrico Fermi ed i suoi allievi Emilio Segrè , Franco Rasetti, Edoardo Amaldi,
Ettore Maiorana ed Oscar D'Agostino nel 1934 diedero inizio presso l'Istituto di
Fisica dell'Università di Roma ad una serie di celebri esperienze finalizzate
allo studio della radioattività artificiale indotta dal bombardamento dei nuclei atomici
con neutroni.
Nello stesso anno i coniugi Joliot-Curie avevano scoperto la
radioattività artificiale bombardando l'alluminio con le particelle
a emesse dal
polonio, ottenendo nuclei radioattivi che emettevano positroni invece di
elettroni, come avviene per gli elementi radioattivi naturali.
Fermi ebbe l'idea
di utilizzare i neutroni al posto delle particelle
a ,considerando che i
neutroni, essendo privi di carica elettrica, non subiscono la repulsione da
parte dei nuclei atomici carichi positivamente, e possono pertanto indurre con
notevole efficacia le reazioni che rendono radioattivi i nuclei atomici.
Le
esperienze condotte su una sessantina di elementi chimici evidenziarono la
possibilità di indurre molto agevolmente la radioattività , bombardando i nuclei
atomici con neutroni lenti, cioè neutroni rallentati interponendo tra la sorgente ed il
bersaglio spessori di sostanze idrogenate (acqua, paraffina).
Le esperienze
della Scuola di Fermi furono di fondamentale importanza per la scoperta della
fissione (scissione) nucleare dell'uranio e la realizzazione della pila atomica
(reattore nuclrare) presso l'Università di Chicago (dicembre 1942).
La fase conclusiva delle ricerche di Enrico Fermi e dei suoi allievi sulla
radioattività indotta da neutroni lenti, riguardò l'ultimo elemento naturale del
sistema periodico, l'uranio.
A differenza, però, di quanto si era verificato
sperimentando su tutti gli altri elementi, l'interpretazione dei risultati
sperimentali non era chiara per la produzione di alcuni elementi radioattivi con
tempi di decadimento diversi ,separabili chimicamente con estrema difficoltà,
per l'esiguità delle quantità prodotte.
Fermi ritenne che si fossero formati
degli elementi chimici artificiali (transuranici), con numero atomico maggiore
di quello dell'uranio (92).
Ricerche analoghe a quelle svolte dal gruppo di
Fermi venivano condotte in Germania da Hahn e Strassman, i quali nel 1939
,bombardando l'uranio con neutroni lenti, evidenziarono inequivocabilmente la
presenza del bario e di altri elementi con numero atomico intermedio tra quelli
dell'uranio e del bario.
Dopo avere ripetuto parecchie volte le analisi dei
prodotti di reazione, si convinsero di avere scoperto un fenomeno nuovo: la
fissione (scissione) dell'uranio in due frammenti, con l'emissione di 2 o 3
neutroni.
Subito dopo Enrico Fermi, al quale nel 1938 era stato assegnato premio
Nobel per la Fisica per le ricerche sulla radioattività artificiale indotta da
neutroni lenti, enunciò la possibilità di utilizzare la fissione dell'uranio per
produrre una reazione a catena, cioè una reazione nucleare che, avviata da un
solo neutrone, si autosostenesse attraverso i 2 o 3 neutroni emessi in ogni
fissione, che potevano produrre la fissione di altri nuclei di uranio,con un
aumento esponenziale del numero dei neutroni prodotti e l'emissione di una
considerevole quantità di energia , 200 MeV (megaelettronvolt), corrispondente a 200
milioni di volte l'energia che una particella dotata di una carica pari a quella
elettronica,acquisisce dopo essere stata accelerata nel passaggio tra due
elettrodi sottoposti ad una differenza di potenziale di 1 V.
L'energia cinetica
dei frammenti di fissione (nuclei con numeri atomici intermedi, la cui somma sia
92, e neutroni veloci) viene ceduta sotto forma di calore al mezzo moderatore,
che serve a rallentare i neutroni fino a ridurre la loro energia a qualche
frazione di elettronvolt, un valore comparabile con l'energia di agitazione termica.
Come
moderatori di neutroni vennero utilizzate sostanze contenenti idrogeno
(paraffina,acqua,acqua pesante) , in quanto, essendo la massa di un neutrone
circa uguale a quella di un nucleo d'idrogeno (protone), bastano pochi urti
neutrone-protone per dissipare la maggior parte dell'energia cinetica di un
neutrone veloce (da 1 a 5 MeV).
Lo studio delle particelle secondarie (sciami di particelle) prodotte dai raggi cosmici, che
sono costituiti da raggi X e particelle cariche, per la maggior parte protoni di
alta energia provenienti dallo spazio extraterrestre, consentì sin dal 1932
(Anderson) di scoprire nuove particelle elementari , la cui esistenza era stata
prevista teoricamente.
Furono scoperti in tal modo il positrone,
i mesoni p (pioni), i muoni, che derivano dal decadimento
dei pioni e, a partire dai primi anni '50 tante altre particelle,sia cariche che neutre, più pesanti del protone
(particelle L, S, X),
la cui esistenza non era stata prevista teoricamente.
I
fisici si resero conto che dalle tre particelle (elettroni, protoni e neutroni)
considerate inizialmente come unici mattoni della materia, si era passati
nell'arco di mezzo secolo ad una numerosa famiglia di particelle, la cui
esistenza rendeva tutt'altro che semplice elaborare un modello teorico che fosse
in grado di descriverne soddisfacentemente le caratteristiche.
Si osservavano
comportamenti non rientranti negli schemi teorici ritenuti fino a quel momento
validi,e si coniavano nuove categorie, come quella della "stranezza", per
classificare alcune delle nuove particelle.
Ci si rese conto gradatamente che le
ricerche sui raggi cosmici, basate sull'osservazione delle tracce lasciate dalle
particelle sulle lastre fotografiche o all'interno delle camere a nebbia (di
Wilson), non erano più sufficienti a far progredire la neonata fisica delle
particelle elementari.
Si decise pertanto, nei vari centri internazionali di
ricerca, di dare il via alla costruzione di grandi acceleratori di
particelle,che consentissero di generare particelle di alta energia con le quali bombardare
un bersaglio metallico, per esempio una lamina di rame, di ferro o di
tungsteno, per esaminare i prodotti di reazione e studiare agevolmente le
caratteristiche degli urti al variare dell'energia e del tipo dei "proiettili"
utilizzati.
Lo studio sistematico degli eventi generati nell'impatto
particella-bersaglio, fornisce ingenti quantità di informazioni sulla struttura
della materia, e consente di verificare sperimentalmente la validità dei modelli
teorici che vengono proposti nell'intento di costruire un modello teorico
generale.
L'applicazione sistematica del metodo sperimentale galileiano è
fondamentale non solo per ricevere conferme sulle previsioni teoriche elaborate
relativamente ad una certa tipologia d'urto programmata, ma soprattutto per
utilizzare coerentemente gli acceleratori come se fossero degli ultramicroscopi
per l'osservazione della materia subnucleare, con una risoluzione tento maggiore
quanto più elevata è l'energia.
E' ben noto infatti che il potere risolutivo di
un microscopio ottico cresce al diminuire della lunghezza d'onda della
radiazione visibile utilizzata per effettuare le osservazioni.
In modo analogo,
al crescere dell'energia delle particelle da utilizzare per bombardare il
bersaglio,aumenta la risoluzione, in quanto diminuisce la lunghezza delle "onde
di probabilità"
l
= h/(MV),data dalla relazione di De Broglie,
basilare per la meccanica del microcosmo.
Rielaborando lo schema del ciclotrone ,primo
esemplare di acceleratore circolare ,realizzato nel 1931 da Lawrence (Nobel
1939) presso l'Università di California, furono realizzati negli USA ed in
Europa (presso il CERN di Ginevra e nei laboratori nazionali francesi, tedeschi e italiani) i
primi elettrosincrotroni e protosincrotroni per ricerche nel campo della fisica
delle alte energie, ben distinta dalla fisica nucleare,che studia la materia ad
energie relativamente basse.
A partire dai primi anni '50, nell'arco di poco più di un decennio, la
famiglia delle particelle elementari era diventata così numerosa da comprendere
oltre una ventina di particelle, di cui soltanto alcune (il protone, il neutrone
, l'elettrone ed il neutrino) venivano ritenute veramente elementari,
mentre, considerando i risultati degli esperimenti di fisica delle alte energie
che venivano effettuati con acceleratori sempre più potenti, si
rafforzava sempre più il sospetto che tutte le altre fossero tutt'altro che
elementari e che bisognasse ricercare delle vere particelle elementari,
combinando le quali si potessero spiegare le proprietà di tutte le altre
particelle.
Nel 1964,indipendentemente l'uno dall'altro, i fisici Murray
Gell-Mann (Nobel 1969) e George Zweig ipotizzarono che le particelle veramente
elementari fossero i leptoni , cioè elettroni, muoni e neutrini con le
rispettive antiparticelle, e che invece tutte le altre particelle più pesanti, gli adroni,
sensibili alla forza subnucleare forte, fossero costituite da 2 o 3
particelle veramente elementari, dotate di carica elettrica frazionaria (2/3 o
1/3), alle quali fu dato il nome di "quark", vocabolo di oscuro significato,
presente nel romanzo "Ulisse" di James Joyce.
Il modello a quark si basava
originariamente su tre particelle fondamentali con spin 1/2, con le rispettive
antiparticelle: quark up, con carica elettrica positiva pari a 2/3 di quella
elettronica, quark down, con carica elettrica negativa pari a 1/3 di quella
elettronica e quark strange (strano), con carica elettrica negativa pari a 1/3
di quella elettronica, introdotto per spiegare la lentezza del decadimento dei
mesoni K e di altri adroni strani .
I mesoni (p,
K, ecc...) sono formati da un quark e da un antiquark, mentre i barioni
(protone,neutrone, particelle L,S,X,ecc...), sono
formati da tre quark.
Le antiparticelle dei mesoni e dei barioni
si ottengono sostituendo a quark ed antiquark le rispettive antiparticelle.
Il modello a tre quark consentì di prevedere l'esistenza di nuove particelle,
per esempio il barione
W-, che fu successivamente identificato in una
particella di massa molto vicina
a quella della particella prevista teoricamente.
