Particelle di LEGO

Particelle familiari non ha figure, né grafici, né tabelle. È stata una scelta consapevole: se sulle pagine di questo sito faccio uso di foto, disegni e calcoletti, nel libro volevo provare a raccontare la fisica con le sole parole (e qualche numero). Il che non significa che non abbia pensato a qualche illustrazione. Per esempio,  mi sarebbe piaciuto avere qualche grafico che aiutasse a seguire la meccanica microscopica delle particelle elementari, quella che nel libro racconto alla Pulce usando dei mattoncini da costruzione. Siccome l'occasione di giocare con il LEGO era troppo ghiotta, ho pensato di produrre qualche immagine fatta in casa, e metterla in relazione con i brani del libro a cui si riferisce. Chissà, magari farà venire voglia a qualche lettore di realizzare i propri diagrammi!

Il Modello Standard di LEGO

Il Modello Standard di LEGO

Il Modello Standard di LEGO

Se Particelle Familiari avesse avuto delle figure, questa sarebbe stata sicuramente la principale! Alla fine del paragrafo intitolato "lo zoo delle particelle", la voce narrate del libro fa ordine tra i mattoncini sparsi sul pavimento, ricostruendo la storia della formulazione del Modello Standard, la teoria che oggi meglio descrive la nostra comprensione dei componenti fondamentali della materia e delle interazioni.

Sul tavolino allineo i tre mattoncini gialli, dal più piccolo al più grande: l’elettrone, il muone, la particella tau. Sopra ciascuno metto un piccolo pezzo rotondo e trasparente di diverso colore, rosso, blu, verde: il neutrino dell’elettrone, quello del muone, e quello del tau. Ecco ricomposti i leptoni, i «piccolini» della Pulce. (...)  Poco più in là, allineo in una struttura simile i mattoncini quadrati che rappresentavano i quark. Inizio con la coppia (...) up e down, la prima con cui abbiamo giocato. Li sistemo nelle stesse posizioni dove, nel campo dei leptoni, stanno l’elettrone e il suo neutrino. Li segue a fianco la coppia dei mattoncini (...) charm e strange, piazzati in modo simile al muone e al suo neutrino. Infine, sistemo il (...) quark «bello», beauty (o anche bottom, «basso»), nella posizione che tra i leptoni è occupata dalla particella tau. Manca (...) il quark «alto», top, il più pesante dei sei.(...) Mancano solo i guardiani dello zoo, i messaggeri delle interazioni. Dalla scatola estraggo un mattoncino bianco lungo e sottile, di quelli che la Pulce ed io avevamo utilizzato per attaccare gli elettroni ai nuclei atomici all’inizio del gioco: un fotone. (...) poi prendo dalla scatola (...) un gluone, quello che abbiamo usato per tenere insieme i quark nelle particelle che la Pulce chiamava «forzute»: protoni, neutroni, e tutta la numerosissima famiglia degli adroni. (...) (...) allineo il grosso mattoncino che avevamo battezzato Willy bosone, e il suo compagno, Zippo. Sono i bosoni W e Z, i mediatori dell’interazione responsabile di certe forme di radioattività, che chiamiamo interazione «debole».

(da Particelle Familiari, capitolo 3, "lo zoo delle particelle")

I colori (e i pezzi) non sono esattamente quelli descritti nel libro, perché ho dovuto fare con il LEGO a disposizione, ma lo schema è proprio quello. Che cosa è possibile costruire e fare con quei mattoncini? Praticamente tutto quello che ci circonda, ed i fenomeni che governano la realtà microscopica. Per esempio, anche un protone, un neutrone, e un atomo di idrogeno.

Un atomo d'idrogeno di LEGO

Un protone di LEGO

Un protone di LEGO

(...) 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")

Un neutrone di LEGO

Un neutrone di LEGO

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 elettro- magnetica, 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")

Un atomo di idrogeno di LEGO

Un atomo di idrogeno di LEGO

Il decadimento "beta"

Ecco invece un decadimento beta: in questo caso il bosone W è un mattoncino verde chiaro (mentre nel testo del libro è arancione).

il decadimento "beta"

Approfittando dello squillo del telefono che richiama la Signora delle Lettere, ricostruisco al volo un neutrone con due mattoncini verdi, uno blu, e i gluoni sottili e trasparenti. Poi, stacco d’improvviso uno dei mattoncini blu e, davanti agli occhi esterrefatti della Pulce, le racconto della magia che può trasformare un quark «giù» in uno «su», lanciando fuori un mattoncino tozzo e largo di color arancione, che battezzo sul campo «Willy bosone» tra le risate della Pulce. Lei intanto rigira tra le mani il neutrone trasformato: «Non è più com’era prima, adesso sembra più quell’altro suo amico di prima, il protone!».

Proprio così. E mentre il neutrone muta in protone per la trasformazione di un quark «giù» in uno «su», io continuo con le magie: Willy bosone, il mattoncino arancione che fa ridere la Pulce, ha appena il tempo di allontanarsi dal neonato protone che lo faccio sparire da una parte, sostituendolo con un piccolo mattoncino giallo e uno di quei pezzi rotondi, trasparenti e rossi che usiamo per costruire i fari delle automobili di mattoncini. La Pulce mi ha visto benissimo prendere il primo dal mucchietto degli elettroni, ma è incuriosita dal secondo. Le spiego che si tratta di un neutrino, una particella leggerissima e molto timida, che per anni se n’è andata in giro senza che nessuno si accorgesse della sua presenza. Anzi, le spiego meglio mentre ribalto il pezzettino rosso a testa in giù, si tratta di un anti-neutrino, il gemello-al-contrario del neutrino.

(da Particelle familiari, capitolo 3, "Persi in un bicchiere d’acqua")

il decadimento "beta", solo con i quark

La molecola d'acqua (semplificata)

Una molecola d'acqua di LEGO, con i suoi costituenti

Una molecola d'acqua di LEGO, con i suoi costituenti

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 dimen- sione 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 elettro- magnetica, i fotoni, responsabili di tenere insieme i nuclei e gli elettroni dentro gli atomi.

Estremamente concentrata, la Pulce costruisce un altro protone esattamente uguale al primo, tutto da sola. Per l’atomo di ossigeno le cose sono più laboriose: dobbiamo costruire otto protoni e otto neutroni, e poi assemblarli in una grossa palla usando qualche gluone aggiuntivo. (...) Alla fine dell’impresa, abbiamo ottenuto un nucleo di ossigeno che assomiglia a una margherita aliena, o forse a un ragno. Arriva il passaggio delicato: attacchiamo altri due mattoncini bianchi al nucleo di ossigeno, senza però gli elettroni gialli al fondo. All’altra estremità incastriamo i mattoncini gialli dei due piccoli atomi di idrogeno, con i due protoni dei rispettivi nuclei a penzolare all’estremo opposto. Abbiamo fatto una molecola d’acqua, tutta di mattoncini.

(da Particelle familiari, capitolo 3, "Persi in un bicchiere d’acqua")

  • 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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