Up, down, strange, charm, beauty, truth: sei particelle, ognuna col suo “sapore”, divise in tre generazioni, interagenti attraverso tutte e quattro le forze fondamentali della natura, “colorate” di tre colori diversi (e tre anti-colori). Si chiamano quark e assieme ad altre sei particelle (i leptoni) sono ritenuti i mattoncini fondamentali di cui è costituita l’intera materia dell’universo.
I due quark di prima generazione, up e down, servono a costruire protoni e neutroni. Un protone è formato da due quark up e un quark down, il neutrone due down e un up. Protoni e neutroni, a loro volta, costituiscono i nuclei attorno a cui ruotano gli elettroni, formando così gli atomi della tavola periodica degli elementi. Gli altri quark, scoperti più tardi e denominati di seconda e terza generazione, formano particelle instabili, che decadono rapidamente.
Da un punto di vista etimologico, che un atomo sia costituito da elettroni orbitanti attorno a un nucleo di protoni e neutroni è un controsenso. La parola atomo significa letteralmente “indivisibile”. I primi a pensare alla materia come costituita da piccole entità indivisibili furono i filosofi greci della dottrina atomista, già nel VII secolo a.C.
Così, quando all’inizio dell’ottocento John Dalton diede vita alla sua teoria chimica, fu naturale chiamare la più piccola porzione possibile di un elemento col nome di “atomo”.
Up, down, strange, charm, beauty, truth: sei particelle, ognuna col suo “sapore”, divise in tre generazioni, interagenti attraverso quattro le forze fondamentali della natura, “colorate” di tre colori diversi (e tre anti colori).
Un secolo dopo iniziò a farsi strada l’idea che l’atomo fosse in realtà a sua volta divisibile e furono teorizzati vari modelli sulla sua struttura interna. Prevalse il modello di Rutherford, in cui la massa dell’atomo è quasi totalmente concentrata in un nucleo carico positivamente (costituito dai protoni) attorno al quale ruotano gli elettroni. Un modello detto “planetario”, per la sua somiglianza al Sistema solare: un sole centrale attorno al quale ruotano i pianeti. Successivamente si capì che il nucleo non poteva essere formato solo da protoni e furono scoperti i neutroni nel 1932.
Negli anni Sessanta venne il momento di guardare protoni e neutroni con la lente d’ingrandimento.
Mentre gli elettroni venivano (e vengono tutt’oggi) considerati puntiformi, i fisici Murray Gell-Mann e George Zweig avanzarono separatamente le prime teorie sulla sub-struttura di protoni e neutroni. Le loro teorie erano formulate su basi del tutto matematiche, non sperimentali. Anzi, la comunità scientifica era piuttosto scettica circa la reale esistenza di sub-particelle che potessero comporre protoni e neutroni. Qualche anno dopo, l’esistenza di queste particelle fu confermata sperimentalmente.
Fu Murray Gell-Mann a coniare il nome “quark”. Inizialmente, racconta nel libro Il quark e il giaguaro, aveva pensato unicamente all’effetto sonoro della parola, qualcosa tipo “kwork”. Poi, leggendo Finnegans Wake di Joyce, lesse la frase “Tre quark per Muster Mark!”, in cui quark non ha un significato determinato. Il fatto che fossero proprio tre i quark citati da Joyce era una coincidenza fortuita: per formare un protone o un neutrone sono proprio tre i quark necessari. E così kwork divenne quark. (In questo modo, prendendo una parola priva di senso, se dovessimo scoprire che anche i quark sono divisibili, almeno non avremmo più il problema di averli chiamati con una parola sbagliata com’è accaduto per gli atomi).
I quark, quindi, sono oggi ritenuti le particelle indivisibili che combinandosi tra loro vanno a formare la materia che ci circonda. Sono però oggetti piuttosto enigmatici.
Spesso capita che il linguaggio comune non sia in grado di supportare ciò che in matematica è invece ben definito. I quark ne sono un esempio lampante. Queste particelle differiscono tra loro per caratteristiche che, pur trovando una definizione matematica chiara, sono del tutto inspiegabili a parole. E i fisici sono costretti a chiamare queste caratteristiche con nomi talvolta ambigui, che possono far pensare a qualcosa di noto, di associabile alle qualità che conosciamo, anche se non è così.
Il sapore, per esempio. I quark si dividono in sei sapori diversi (up, down, strange, charm, beauty o bottom, truth o top), che nulla hanno a che fare con il sapore che proviamo grazie alle papille gustative. Hanno poi diversi colori (rosso, verde e blu), ma questi colori nulla hanno a che fare con una reale tonalità cromatica. Hanno cariche elettriche frazionate, cioè non -1 (come gli elettroni) o +1 (come i protoni), bensì +2/3 o -1/3. E per questo i quark non possono mai essere separati tra loro: cariche frazionate isolate in natura non esistono. Quindi nonostante un protone (carica +1) sia composto da due quark up (ciascuno di carica +2/3) e un quark down (carica -1/3), non è possibile separare tra loro i quark e quindi non è possibile vedere cariche frazionate isolate. Inoltre hanno pesi estremamente diversi tra loro: il quark truth (o top) possiede una massa 35mila volte superiore ai quark up e down. Il fatto che si chiami truth, peraltro, nulla ha a che fare con qualche tipo di verità specifica. Lo stesso dicasi per l’altro quark di terza generazione, beauty, che non è più bello o più brutto degli altri.
La domanda ora è se, grazie ai quark, siamo giunti al traguardo finale. Esiste una sotto-struttura dei quark o abbiamo davvero raggiunto le particelle più elementari? Storicamente abbiamo imparato a diffidare di questa convinzione e in effetti esistono teorie matematiche che prevedono l’ulteriore scomposizione dei quark, ma sono ancora lontane dall’essere verificate sperimentalmente. Attualmente il più grande acceleratore di particelle al mondo, l’LHC al Cern di Ginevra (responsabile della scoperta del bosone di Higgs), non è in grado di produrre energie tali da vedere particelle più piccole. Sempre il Cern, però, programma di costruire un nuovo acceleratore, più grande (100 km di circonferenza) e dal costo di 21 miliardi. Riuscirà il nuovo acceleratore ad aprire nuovamente la scatola della natura e trovarci dentro una nuova matrioska?