I quark sono i costituenti fondamentali di tutta la materia, ma non sembrano avere alcuna struttura e sembrano essere indivisibili. BlackJack3D/Immagini Getty

protoni e neutroni, le particelle che formano i nuclei degli atomi, potrebbe sembrare davvero minuscolo. Ma gli scienziati affermano che quelle stesse particelle subatomiche sono costituite da qualcosa di ancora più piccolo:particelle chiamate quark.

"Bene, Penso che il modo più semplice per affermarlo sia che i quark sono il costituente fondamentale della materia, di tutte le cose che ci circondano, " spiega Geoffrey West. È un fisico teorico che ha fondato il gruppo di fisica delle alte energie presso il Los Alamos National Laboratory e ora è Shannan Distinguished Professor al Santa Fe Institute. (È anche autore del bestseller 2017 "Scale, " su come le leggi matematiche che governano la struttura e la crescita del mondo fisico si applicano alla vita biologica e alla società umana.)

Come gli elettroni e altri leptoni, i quark non sembrano avere alcuna struttura e sembrano essere indivisibili, come spiegato dal fisico delle particelle dell'Università di Melbourne Takaski Kubota in The Conversation.

I quark sono così piccoli che è sbalorditivo persino provare a esprimere la loro dimensione stimata. Il professore di fisica dell'University College di Londra Jon Butterworth ha spiegato che il raggio di un quark è di circa 2, 000 volte più piccolo di quello di un protone, che a sua volta è 2,4 trilioni di volte più piccolo di un granello di sabbia.

Esistenza dei quark proposta per la prima volta nel 1964

L'esistenza dei quark è stata proposta per la prima volta nel 1964 dal fisico teorico del California Institute of Technology Murray Gell-Mann, una delle figure chiave nello sviluppo del Modello Standard della fisica delle particelle. Gel-Mann, vincitore del Premio Nobel per la Fisica 1969, capì che per spiegare le proprietà di protoni e neutroni era necessario che fossero costituiti da particelle più piccole. Allo stesso tempo, un altro fisico del CalTech, Georg Zweig, anche indipendentemente ha avuto l'idea pure.

L'esistenza dei quark è stata confermata da esperimenti condotti dal 1967 al 1973 presso lo Stanford Linear Accelerator Center.

Una delle cose strane sui quark, come spiega West, è che possono essere osservati, ma non possono essere isolati. "C'è una sottile differenza, " dice. "Sono come gli elettroni in quanto gli elettroni sono fondamentali, ma con gli elettroni possiamo osservarli e anche isolarli. Puoi indicare un elettrone. Con i quark, non puoi prenderne uno dal nucleo e metterlo sul tavolo ed esaminarlo."

Anziché, utilizzando giganteschi acceleratori di particelle, gli scienziati accelerano gli elettroni e li usano per sondare la profondità del nucleo. Se vanno abbastanza in profondità dentro, gli elettroni si disperderanno dai quark, che può essere misurato utilizzando rivelatori molto sofisticati. "Ricostruiamo cosa c'è nel bersaglio di cui sono composti protoni e neutroni, " West dice. "Vedi questi piccoli oggetti puntiformi che identifichiamo come quark".

Esistono sei tipi di quark

I quark hanno cariche frazionarie rispetto ai protoni che formano. Esistono sei tipi di quark basati sulla massa, e le particelle hanno anche una qualità chiamata colore, che un modo per descrivere come la forza forte li tiene insieme. Il colore è trasportato dai gluoni, una sorta di messaggero della forte forza che lega insieme i quark. (Sono analoghi ai fotoni.)

Un team di fisici dell'Università del Kansas prevede di utilizzare un dispositivo installato presso il Large Hadron Collider, un enorme acceleratore di particelle situato in un tunnel di 27 miglia (27 chilometri) tra Francia e Svizzera, studiare l'interazione forte tra quark e gluoni.

"L'idea è di ottenere una migliore comprensione del protone e della struttura degli ioni pesanti, come ad esempio il piombo, e di studiare un nuovo fenomeno chiamato saturazione, " Christophe Royon, un professore di fisica dell'Università del Kansas che sta conducendo la ricerca, spiega in una mail. "Quando due protoni o due ioni si scontrano a un'energia molto alta, siamo sensibili alla loro sottostruttura - quark e gluoni - e possiamo sondare alcune regioni in cui la densità dei gluoni diventa molto grande".

"Un'analogia sarebbe la metropolitana di New York nelle ore di punta quando la metropolitana è completamente congestionata, " Royon continua. "In tal caso, i gluoni non si comportano come singole identità ma possono mostrare comportamenti collettivi, come una metropolitana affollata, se qualcuno cade, tutti lo sentiranno poiché le persone sono così vicine l'una all'altra. Ad un certo punto, i protoni o ioni pesanti possono comportarsi come un oggetto solido, come un bicchiere, chiamato condensa di vetro colorato. Questo è ciò che vogliamo vedere all'LHC e anche al futuro Electron-Ion Collider negli Stati Uniti".

Royon afferma che trovare prove dell'esistenza di questo materiale gluonico denso risponderebbe a una delle più grandi domande senza risposta sui quark. "Questo è un nuovo stato della materia, " dice. "Alcuni indizi sono già apparsi al Relativistic Heavy Ion Collider o al Large Hadron Collider, ma nulla è ancora certo. Sarebbe una scoperta importante, e sia il Large Hadron Collider che l'Electron-Ion Collider sono macchine ideali per vederlo".

Gli scienziati si chiedono anche se potrebbe esserci qualcosa di ancora più piccolo di un quark. "Si pone la domanda, c'è ancora un altro livello?" dice West. "Non conosciamo la risposta."

Ora è interessante

Gell-Mann ha preso il nome per la particella dal romanzo sperimentale di James Joyce del 1939 "Finnegans Wake, " che contiene la riga, "Tre quark per Muster Mark!"