Un atomo di idrogeno di LEGO

Come promesso, ecco qualche altra foto delle mie particelle di LEGO, con qualche stralcio corrispondente di Particelle familiari. Non vi viene voglia di provare? Per la cronaca, i colori nel testo non corrispondono esattamente a quelli dei mattoncini nelle foto: il quark "down" per l'occasione è diventato azzurro, chissà poi perché (in casa abbiamo molti più mattoncini verdi che azzurri!).

ParticelleFamiliari_Protone

(...) mentre incastro i due pezzi blu con quello verde le racconto che esistono diversi tipi di quark, che si combinano come i mattoncini. Abbiamo dato loro dei nomi strani, per esempio «su» e «giù». Se mettiamo insieme due quark «su» e un quark «giù», come questi due mattoncini blu e quello verde, otteniamo una particella che si chiama «protone». Se invece mettiamo insieme un mattoncino blu e due mattoncini verdi, ne facciamo un’altra che si chiama «neutrone».

«Come fanno a stare insieme? – chiede la Pulce incuriosita – Si incastrano come i mattoncini?».

Sarebbe troppo facile. Abbiamo scoperto che ci sono altre particelle che tengono insieme i quark come se fossero una colla. Non a caso, le chiamiamo «colloni», anche se, a dire tutta la verità, usiamo la parola inglese con lo stesso significato, «gluoni». Smonto il primo protone, e infilo tra i mat- toncini blu e quello verde un paio di mattoncini trasparenti e sottili, a rappresentare i gluoni. La Pulce, ormai entusiasta del gioco, fa lo stesso con i mattoncini del neutrone.

(da Particelle Familiari, capitolo 3, "Persi in un bicchiere d'acqua")

ParticelleFamiliari_Neutrone

Cosa ci manca per fare dell’acqua? Dobbiamo fare un paio di atomi di idrogeno, e uno di ossigeno. Per il primo le cose sono semplici: prendiamo un mattoncino giallo, della dimensione più piccola che troviamo, e gli facciamo fare l’elettrone. Adesso dobbiamo metterne uno a girare intorno al protone per fare l’atomo di idrogeno. La Pulce ha pronta la soluzione: recupera un mattoncino bianco, lungo e sottile, e attacca ad una estremità la pila di quark e gluoni che fanno un protone, e il mattoncino giallo che fa l’elettrone. Un’ottima idea: gli elettroni hanno carica elettrica negativa, i protoni positiva, e tra di loro passeggiano i messaggeri dell’interazione elettromagnetica, i fotoni, responsabili di tenere insieme i nuclei e gli elettroni dentro gli atomi. (...)

(da Particelle Familiari, capitolo 3, "Persi in un bicchiere d'acqua")

ParticelleFamiliari_Idrogeno

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14 Commenti

  1. Carolina
    Pubblicato il 28 luglio 2014 alle 18:58 | Permalink

    Veramente interessante! Sarebbe una bella attività da fare anche in classe quando si introduce la fisica delle particelle!

  2. dario
    Pubblicato il 29 luglio 2014 alle 00:36 | Permalink

    credo di aver fatto una scoperta colossale...chiedo conferma...il protone ha carica positiva per via della carica elettrica dei singoli costituenti ? 2/3 U 2/3 U contro -1/3 D ? mentre il neutrone -1/3 D -1/3 D contro 2/3 U ? però non ho chiaro lo spin tutti 1/2
    😀

  3. Pubblicato il 29 luglio 2014 alle 08:40 | Permalink

    Bene. bene, ottimo, Dario! 🙂

    (per lo spin le combinazioni sono più complessi, trattandosi, in prima approssimazione, di una quantità vettoriale. Diciamo che si combinano come 1/2 - 1/2 + 1/2 = 1/2)

  4. Riccardo
    Pubblicato il 4 agosto 2014 alle 11:50 | Permalink

    Ma se i quark non possono stare separati, come si è misurata la carica elettrica di ognuno? E' una decisione arbitraria perché "così funziona", oppure si osservano anche per breve tempo? E la carica elettrica fondamentale, a questo punto, sarebbe quella del quark D e non quella dell'elettrone (che avrebbe tre volte la carica fondamentale), o sbaglio?:)

  5. Moreno
    Pubblicato il 4 agosto 2014 alle 12:26 | Permalink

    Recensione del libro su "Le scienze" di Agosto.

  6. My_May
    Pubblicato il 2 settembre 2014 alle 08:40 | Permalink

    Sto leggendo il libro sono a metà. Gradevolissimo! Solo quando sono arrivato all'inizio del racconto dello zoo con i mattoncini della lego ho avuto un attimo di disorientamento (piu di un attimo al dire il vero, ho dovuto chiudere il libro in quanto mi stava salendo la pressione :D). Eri una mitraglietta...non c'ho capito piu niente: verde, giallo, rosso, sposto qui, metto li, lo giro lo volto, lo rivolto... mi chiedo se prendevi fiato tra una frase e l'altra 😛 Bravissima la pulce a seguirti così bene eheheh io non sono stato così bravo.
    Per la prima parte invece l'unica cosa su cui ho avuto qualche dubbio e sulla figura di interferenza "visualizzabile" con una sola particella. Al dire il vero questo è un punto per me abbastanza scuro. Una sola particella (da quel che ricordo leggendo altri libri) fa una chiazza sullo schermo. Per vedere effettivamente la figura di interferenza (sulla lastra) bisogna mandarcele un bel po' . Però tu dici esattamente il contrario, però non ho compreso, a questo punto, cosa si vede sullo schermo con una sola particella, tale da darci la sicurezza che si è difronte ad una figura di interferenza a parte la chiazza (dovrebbero essercene piu di una..o no?).

    Continuo nella lettura:)

  7. Pubblicato il 2 settembre 2014 alle 09:11 | Permalink

    Il capitolo che si intitola "lo zoo delle particelle" è scritto in modo da provocare deliberatamente confuzione: l'idea è quella di rendere il senso di caos e mancanza di ordine apparente che i fisici hanno attraversato nella prima parte del 1900 prima che il modello a quark e poi il Modello Standard venisse formulato negli anni '70. Se ti sei sentito confuso, vuol dire che il testo fa il suo mestiere 🙂

    Sull'esperimento delle due fenditure, mi rendo conto che siano concetti complessi da afferrare. La figura di interferenza appare ovviamente solo se si sparano molte particelle. Ma il punto critico è che non è necessario inviarle tutte insieme, cosa che conferma che l'interferenza è comunque di ogni singola particelle con se stessa (ne parlo esplicitamente a pagina 58 del libro).

    Buona lettura!

  8. My_May
    Pubblicato il 12 settembre 2014 alle 12:46 | Permalink

    scusa Marco una domanda al volo, a proposito del triangolo (per quella equivalenza tra massa energia) non mi è chiaro una cosa (ed è inutile che aspetto la fine della lettura). Quando il cateto del momento aumenta, giustamente diminuisce quello della massa (mi sembra ovvio, ma sai com'è ...), ma in "sostanza" la massa diminuisce anch'essa (come vale per il momento) o rimane invariata? Da quel che posso capire io dovrebbe rimanere invariata ammesso che il cateto del momento non si adagi completamente sull'ipotenusa (tipo fotone per interci...). Quindi quell'esempio del triangolo bisogna prenderlo in senso sostanziale o solo figurativo (ovvero mi spiego, il valore del cateto della massa non è uguale al valore della massa della singola particella presa in esame) Scusa eventuali bestialità:)
    buon lavoro

  9. My_May
    Pubblicato il 13 settembre 2014 alle 00:19 | Permalink

    ciao Marco domanda al volo prima di finire la lettura.Con l'esempio del triangolo a proposito del catelo della "massa", quando dici che diminuisce la sua lunghezza a favore del cateto del momento, vuoi dire anche che diminuisce il valore della massa stessa? Non so se l'hai scritto da qualche parte e non ci ho fatto caso, altrimenti non ho compreso. Da una mia infarinatura approsimata mi sembra di intendere che la massa rimanga sempre inalterata, ammesso che il cateto del momento sia completamente adagiato sull'ipotenusa (tipo fotone). Quindi un cateto della massa strettissimo non vuol dire una massa piccolissima.
    Dimmi se è giusto o c'è qualcosa che bisogna sapere di altro 🙂 ciao buon lavoro

  10. My_May
    Pubblicato il 6 ottobre 2014 alle 09:41 | Permalink

    Il libro l'ho letto tutto:) Ora sono in fase di rilettura delle parti più "difficili".

    Penso che la domanda che ho posto sopra sia irrilevante. Dovrei aver capito che la risposta sia gia dentro.

    Piccolo commento personale all'intero libro.
    Particelle familiari è un libro di ampio respiro, non è cioè monotematico. Affronta molto semplicemente e con analogie ed esempi facili da intuire molti aspetti ostici della fisica moderna. Si lascia anche apprezzare per il taglio che l'autore da' al racconto, alle volte sentimentale alle volte persino romantico, dell'esperienza del ricercatore di particelle. Le emozioni si palpano nel racconto finale culminando in quei 5 sigma sulla lavagna. E' fatta! La ricerca "inutile" diventa il motore di un nuovo pathos. Anche se non servirà a nulla, vedere un centenario (Rose) gioire per aver visto in vita la propria opera dare quel risultato, porta il lettore su una strada più emotiva, e meno razionale.
    Penso che il progetto del libro sia riuscito, almeno questa è la speranza. Capire da emozioni! Questo credo che sia il messaggio, ed è questo che ho colto. Complimenti e al prossimo libro 🙂
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    Esco dal mio commento generale per fare solo una domanda quasi tecnica (le altre domande e riflessioni poi le distruibuirò con il tempo se mi sarà possibile).
    Nel libro non si fa menzione dello spin di tale bosone di Higgs. Era rimasto ignoto fino all'ultima volta che ho dato un'occhiata ai risultati. Si è capito poi?

  11. Pubblicato il 7 ottobre 2014 alle 07:50 | Permalink

    @My_May: Grazie per il bel commento sul libro! Sullo spin: abbiamo delle misure che danno l'ipotesi che lo spin sia 0 (e non 2) come favorita (non posso dire che la confermano, perché c'è un'incertezza statistica legata ai possibili modi di produzione del bosone che non è piccola), il che ci ha a suo tempo portato ad abbandonare la dizione "Higgs-like" per un più prosaico "Higgs boson". Ne avevo parlato qui l'anno scorso:
    http://www.borborigmi.org/2013/03/14/aspen-2013-giorno-4-i-fotoni-di-cms-il-bosone-e-un-bosone-di-higgs/

  12. Pubblicato il 7 ottobre 2014 alle 07:51 | Permalink

    E sulla questione dei triangoli rettangoli di Einstein, perché non riguardi questo?
    http://www.borborigmi.org/2008/10/28/massa-velocita-energia-la-formula-piu-famosa-del-mondo-e-il-teorema-di-pitagora/

  13. My_May
    Pubblicato il 7 ottobre 2014 alle 09:47 | Permalink

    Ok grazie Marco dei riferimenti (quello sul triangolo l'avevo trovato anche se mi è sembrato di capire, dopo una "leggera" lettura) che il lato o meglio il cateto della massa fosse solo di "abbellimento". Nel senso che il suo accorciare di lunghezza non vuol dire diminuire di "peso" (riferito alla massa). Se così non fosse allora semplicemente non ho capito 😀

    Giacchè mi trovo a commentare qui anche i contenuti del libro(e no in un apposito spazio...che magari se c'è, me lo indichi e sposto tutto) , mi preme sottolineare quel che pensavo prima della scoperta del o di un bosono di Higgs.
    Faccia un cappelletto personale.
    Einsetein ebbe una bella idea, costruì il suo modello di spazio/tempo creando appositamente un modello geometrico(o prendendolo a prestito come si dice da uno gia esistente) che spiegasse come per lui funzionava il mondo (dal suo libro "come io vedo il mondo la teoria della relatività"). Il modello di Einstein non aveva cioè bisogno di bosoni per funzionare. Che sia un campo (il che vuol dire che deve esistere anche un bosone) o che non lo sia, esso funziona. Higgs pare partire al contrario. Per funzionare la sua idea bisogna trovare il bosone, anche se poi non sappiamo molto altro di tutto il resto. Non mi sembra ci sia cioè una teoria che ci dica come mai tutte le famiglie di particelle hanno x massa invece di variare a seconda del campo di Higgs(magari della sua intensità se ne ha una diversa nei diversi punti di spazio) . Non sembra cioè che il campo determini la massa delle particelle. Ovvero da quel che mi sembra di ritenere io usando solo i miei pochi neuroni da non-fisico, il caro bosone di Higgs preso così singolarmente non ci dice nulla su come e perchè esiste la massa. Quindi la domanda. Perchè con la scoperta di questo bosone dovrebbe essere consequenziale l'idea iniziale che sia essa a dare la massa alle particelle se non sappiamo come esso agisca? E se fosse un'altra cosa?

    scusa la domanda lunga...chissà magari ne avrai parlato da qualche altra parte e me lo sono perso. chiedo venia 🙂
    buonagiornata

  14. Pubblicato il 8 ottobre 2014 alle 08:37 | Permalink

    Il meccanismo di Higgs e compagni nasce in primo luogo per dare massa ai bosoni vettori W e Z, che sono massivi (lo sappiamo prima dal raggio di azione corto dell'interazione debile, e poi dalla misura diretta della loro massa) a differenza del fotone, che agisce in modo analogo nell'ambito dell'interazione elettromagnetica ma con raggio di azione infinito. In quella specifica applicazione, il meccanismo di Higgs non solo da massa a W e Z lasciando il fotone senza massa, ma le masse rispettive di W e Z sono predette da un unico parametro (che è, semplificando, una caratteristica del capo di Higgs). Dunque, in questo caso, tutto bene.

    Per i fermioni, invece, le cose si complicano: il campo di Higgs può sempre essere la ragione delle loro masse, ma il loro valore specifico dipende da diverse "costanti" della teoria (le costanti di accoppiamento di Yukawa), da adattare alla bisogna: può il solo meccanismo di Higgs predire tutte le masse dei fermioni a partire da un numero ridotto di parametri? No, ed è questo uno dei motivi per cui pensiamo che il Modello Standard con il meccanismo di Higgs sia una teoria incompleta.

    P.S. Nota che ho sempre detto "meccanismo" e mai "bosone": è il meccanismo di Higgs attraverso l'interazione con il campo di Higgs che da massa alle particelle! Il bosone è un prodotto collaterale, una conseguenza...

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  • Mi chiamo Marco Delmastro, sono un fisico delle particelle che lavora all'esperimento ATLAS al CERN di Ginevra.

    Su Borborigmi di un fisico renitente divago di vita all'estero lontani dall'Italia, fisica delle particelle e divulgazione scientifica, ricerca fondamentale, tecnologia e comunicazione nel mondo digitale, educazione, militanza quotidiana e altre amenità.

    Ho scritto un libro, Particelle familiari, che prova a raccontare cosa faccio di mestiere, e perché.

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