La materia barionica è la base che costituisce ogni corpo e oggetto del nostro Universo. Per comprendere meglio come è strutturata occorre rifarsi allo schema di classificazione del Modello Standard così come è andato strutturandosi nel corso dell’ultimo secolo.
Il Modello Standard prevede che la materia sia fondamentalmente il prodotto di due tipi di particelle, quelle leggere i leptoni e quelle pesanti i barioni. Entrambi i termini derivano dal greco. Mentre i leptoni sono veramente particelle fondamentali, ovvero non ulteriormente divisibili in altre particelle, i barioni sono aggregati di altre particelle elementari come i leptoni, i quark che sono dotati di carica frazionaria, ovvero di una frazione della carica di un elettrone.
I quark non si trovano liberi in natura salvo per un brevissimo istante che seguono le collisioni di particelle ad altissima energia. I quark si uniscono tra loro in gruppi di due, tre o più come i mattoncini della Lego formando i barioni unità compatte e quasi indivisibili.
Il Modello Standard prevede che le forze che interagiscono tra le particelle siano trasmesse, “mediate” da altre particelle speciali: i bosoni. Il bosone più semplice è il fotone che è il mediatore della forza elettromagnetica. La forza che tiene coesi i quark nel formare i barioni è la forza nucleare forte e la sua particella mediatrice è il gluone.
Un’altra forza che interagisce sia con i leptoni che con i quark è la forza nucleare debole che risulta dallo scambio di bosoni pesanti Z° e W+ e W-. In realtà la forza elettromagnetica è la forza nucleare debole sono due “facce” della stessa forza che si applica nello stesso modo sia ai leptoni che ai quark, mentre la forza nucleare forte si applica soltanto ai quark.
La più nota particella tra i leptoni è l’elettrone con carica elettrica -1, le altre due particelle sono il muone e il tauone anch’essi con carica elettrica -1, definiti come elettroni “pesanti”, a differenza dell’elettrone essi però sono molto instabili, hanno un periodo di vita brevissimo dopo il quale decadono rilasciando particelle più stabili.
I leptoni sono completati da tre neutrini con carica nulla uno per ciascuno dei tre leptoni carichi: il neutrino elettronico, il neutrino muonico e il neutrino tauonico. L’assenza di carica elettrica rende i neutrini particelle estremamente sfuggenti e difficili da studiare, basti pensare che per fermare un singolo neutrino occorrerebbe un muro di piombo largo quanto l’intero Universo!
I quark sono i mattoni fondamentali dei barioni. Esistono sei tipi di quark con carica elettrica +2/3 o −1/3 ) e spin 1/2. In natura non si trovano mai isolati, ma sono uniti in particelle composte dette adroni, come per esempio il protone e il neutrone. Riportiamo la loro denominazione piuttosto esotica nella tabella seguente:
| Nome | Carica | Massa stimata (MeV/c2) |
|---|---|---|
| Up (u) | +2/3 | da 1,5 a 4 |
| Down (d) | -1/3 | da 4 a 8 |
| Strange (s) | -1/3 | da 80 a 130 |
| Charm (c) | +2/3 | da 1 150 a 1 350 |
| Top (t) | +2/3 | 174 300 ± 5 100 |
| Bottom (b) | -1/3 | da 4 100 a 4 400 |
I protoni sono particelle stabili nel tempo mentre i neutroni isolati finiscono per decadere in pochi minuti rilasciando un elettrone (carica -1), un protone (carica +1) e un neutrino con carica nulla. All’interno del nucleo degli atomi invece i neutroni si comportano stabilmente e sempre in conglomerati di grandissime dimensioni come le stelle di neutroni queste particelle mantengono una stabilità altrimenti preclusa in natura.
Protoni, neutroni ed elettroni compongono tutta la materia ordinaria di cui siamo fatti noi, le stelle, la Terra, i cani e la brioche della vostra colazione mattutina, ovvero la materia barionica che come sappiamo rappresenta poco più del 4% del nostro Universo.
