Le particelle elementari

Rutherford aveva utilizzato i raggi alfa (nuclei di elio) per studiare la struttura della materia.
Quali proiettili avremmo potuto usare per studiare cosa ci sia all’interno dei protoni e dei neutroni?

L'evidenza sperimentale dell'esistenza di una struttura interna dei protoni e neutroni proviene da una serie di esperimenti eseguiti alla fine degli anni Sessanta e negli anni Settanta, iniziati dai ricercatori della Stanford University in California.
Questi esperimenti utilizzavano fasci di elettroni di elevata energia che venivano sparati contro i nuclei atomici. Lo studio della diffusione degli elettroni dopo l'urto con i nuclei mise in evidenza la struttura interna dei protoni e dei neutroni.

Storicamente all’inizio si effettuarono esperimenti effettuati utilizzando i palloni aerostatici, scoprendo che i raggi cosmici non erano in grado, nonostante l’energia posseduta, di rompere protoni e neutroni, ma dall’urto apparivano particelle poco stabili con masse frazionarie rapportate alla massa del protone. La prime particelle furono sia e⁺ (l’antiparticella dell’elettrone) e il mesone μ:
Anderson nel 1933 vi identifica particelle di carica positiva, e tutte le caratteristiche eguali a quelle degli elettroni: positrone antimateria dell’elettrone!

approfondimento sugli esperimenti con palloni

Nei raggi cosmici viene scoperto il muone – particella penetrante, con caratteristiche simili a quelle dell’elettrone Successivamente si scopre l’esistenza di una nuova particella il mesone π^± . In tutte queste scoperte si è sfruttato il fatto che i raggi cosmici sono costituiti in gran parte da protoni estremamente veloci e con una grande energia che varia da 100Mev a 10 ²⁰ eV (10 trilioni di eV). Quando un protone con energia E colpisce un nucleone di massa m, libera una energia pari a circa 2mE. Se si urtano due nucleoni, uno associato ai raggi cosmici, l'altro appartenente al nucleo di un'atomo presente nella ionosfera, possiamo osservare la produzione di vari tipi di pioni.

Urti fra nucleoni
senza i neutrini

Questa energia si riorganizza e da origine a particelle di massa differente, sempre tenendo presente che l’energia e le masse messe in gioco devono essere complessivamente pari a 2mE.
In molti casi si producono le particelle π e i neutrini ν e gli antineutrini ν^-.

Le particelle π^± decadono dopo 2.6 10^-8s e si trasformano in mesoni μ^± che decadono originando elettroni. La particella π⁰ viene prodotta dal processo π^-+ p -> n+ π ⁰.
il π ⁰ ha una massa di 134.98 MeV e dopo 8.4 10^-17s decade originando o 2 raggi γ , oppure, più raramente γ+ e⁺ + e ^-.
Il decadimento principale (probabilità 99,9877%) per il pione carico π ^± ha come prodotti un muone e il suo neutrino:
π ⁺ → μ⁺ + ν _μ
π ^- → μ ^- + ν^- _μ
. Il secondo tipo di decadimento (0,0123%) è in elettrone e il suo neutrino:
π ⁺ → e⁺ + ν _e
π ^- → e^- + ν^-_e .
Queste sono le particelle, studiate utilizzando i palloni aerostatici.

alcune particelle più elementari