Quando una particella di materia si può definire elementare?
Ecco la definizione che dà Wikipedia:
"In fisica, in particolare nella fisica delle particelle, una particella elementare è il costituente elementare della materia, un oggetto indivisibile, che non è composto da particelle più semplici".
La definizione è apparentemente semplice, tuttavia (come già discusso nel post "Il dualismo onda-particella") si deve innanzitutto notare che "il termine particella, pur essendo entrato nell'uso comune, non è del tutto adeguato, in quanto la meccanica quantistica ha eliminato la distinzione tra particelle e onde che aveva caratterizzato la fisica del XIX secolo".
Inoltre si osservi che per verificare se una particella è composta da particelle più semplici dobbiamo sottoporla ad esperimenti di scattering (cioè diffusione ottica) ad alta energia; dunque la costituzione di una particella emerge in funzione della quantità di energia impiegata nella collisione, necessaria proprio per sondare la sua struttura.
D'altra parte nella collisione tra particelle potrebbero prodursi altre particelle, che non sono necessariamente più piccole di quelle originarie, ma che sono dovute alla trasformazione in massa (grazie alla nota equazione di Einstein E=mc2) dell'energia cinetica delle particelle incidenti e che perciò non fanno parte della struttura interna della particella.
È stato tuttavia possibile, nelle esperienze di diffusione ad alta energia (ad esempio elettroni che incidono contro protoni e neutroni), mostrare sperimentalmente la struttura interna delle particelle (i ben noti quark) attraverso lo studio accurato della sezione d'urto evidenziata nella collisione*.
In effetti in fisica esiste una teoria, denominata Modello Standard, che descrive e prevede tutte le particelle elementari fino ad oggi scoperte, compreso il famigerato bosone di Higgs, che è stato prima previsto e poi sperimentalmente scoperto** e che sarebbe responsabile della massa inerziale delle particelle.
Tuttavia, a dimostrazione del fatto che la scoperta di nuove particelle elementari non è ancora conclusa, al laboratorio americano del Fermilab "il 4 aprile 2011, dopo aver analizzato i risultati di circa 10.000 collisioni protone-antineutrone, è stata scoperta una nuova particella elementare, probabilmente un gluone o un bosone Z" (vedi Wikipedia).
In definitiva il significato fisico di particella elementare è profondamente legato alla nostra capacità di sondare la materia, sia a livello teorico ma anche e soprattutto sperimentale, per cercare di scoprire la struttura ultima, se questa esiste, di ogni singola particella***.
(*) Gli urti tra particelle possono essere elastici oppure anelastici: solo nel caso elastico l'energia cinetica si conserva e non si trasforma perciò in nuove particelle; tuttavia entrambi i tipi di urto possono fornire informazioni utili sulla struttura interna della particella bersaglio.
(**) Come ricorda Wikipedia "una particella con caratteristiche compatibili con il bosone di Higgs (teorizzato nel 1964) è stata osservata nel 2012 negli esperimenti ATLAS e CMS condotti con l'acceleratore LHC".
(***) Con gli attuali acceleratori ad alta energia è possibile sondare particelle ritenute puntiformi (come quark e leptoni) fino a distanze di 10-17 m alle quali in effetti non presentano nessuna struttura interna.
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