I muoni
La scoperta del nucleo e poi dei suoi
componenti, il protone e neutrone, ha rivoluzionato
la nostra visione di ciò che era fatto il mondo. La nostra comprensione
del mondo è cambiata dal modello classico alla quantistica e fino al 1933 la
meccanica quantistica è passata da un successo all'altro nel descrivere
osservazioni sperimentali. Tutto ciò è
culminato nell’equazione di Dirac, che prevedeva l'esistenza di anti-materia,
confermata poco dopo dalla scoperta del movimento anti-elettrone (positrone). Tuttavia, il compiacimento
dei fisici è stato di breve durata. Dietro le quinte, non tutto andava bene. La
meccanica quantistica stava lottando
per fornire una spiegazione sulle particelle che piovevano sulla terra dal
cosmo a un ritmo di 10.000 al minuto per mq. Un vero e proprio essere, in
continuo divenire che i luminari della fisica stavano cercando di capire,quale
fosse la natura di queste particelle presenti nei "raggi cosmici".
Poiché a quel tempo le sole particelle conosciute erano elettroni, protoni,
neutroni,
fotoni
e (ancora da rilevare direttamente) i neutrini. Venne ipotizzato
che queste particelle dei raggi cosmici che continuano ad arrivare a terra fossero
elettroni.
Il problema
di questa (sbagliata) ipotesi era che gli "elettroni" che piovono
sulla terra sembravano arrivare in due varietà. La prima varietà era di quelli che sono stati facilmente assorbiti
da blocchi di piombo e che hanno creato una pioggia secondaria di elettroni, positroni e fotoni
quando hanno interagito con il piombo e la seconda varietà era di quelli che penetravano con
disinvoltura i blocchi di piombo.
In un primo
momento, la meccanica quantistica
non aveva spiegazioni del perché gli elettroni dovessero comportarsi in uno di
questi modi, ma a poco a poco la teoria
è stata modificata (in particolare da Bethe,
Carlson, Heitler e Oppenheimer). Trovarono
un modo per descrivere il tipo 1 (gli "elettroni" che producono una pioggia di altri elettroni e
quindi hanno la “doccia in testa”),
ma, ahimè, non ebbero altrettanta fortuna a trovare una spiegazione per le
particelle penetranti di tipo 2. I fisici teorici (che avevano avuto tanto
successo fino a quel momento) erano in preda alla disperazione. Oppenheimer, al quale piaceva aggravare
la situazione e che generalmente ha
sempre preferito il bicchiere mezzo vuoto, scrisse a suo fratello nel 1934:
“Come
certamente sapete la fisica teorica - con i fantasmi inquietanti di neutrini, la
convinzione di Copenaghen, contro ogni evidenza e, che i raggi cosmici sono
protoni, la teoria dei campi assolutamente non quantizzabile di Born, le
difficoltà di divergenza con il positrone e l'impossibilità assoluta di fare un
rigoroso calcolo a tutti – è piombata rapidamente in un inferno. L'idea che le
particelle che penetrano erano protoni
è stata respinta e la comunità dei fisici ha dovuto affrontare una scelta
difficile: una nuova particella o l'accettazione che la meccanica quantistica era irrimediabilmente viziata. Per un certo
tempo (ora comodamente trascurata) hanno eluso la questione e hanno iniziato a
parlare sotto voce sulla possibilità di "elettroni rosso e verde"
- un tipo capace di essere assorbito
e l'altro penetrante. Per fortuna,
lo sviluppo ispirato da nuove tecniche sperimentali
,avviate da squadre di
ricercatori in Europa e negli Stati Uniti ,ha comportato che le osservazioni
sperimentali delle particelle penetranti, divenissero più precise. Queste
innovazioni sperimentali (in combinazione con nuovi progressi nella teoria) hanno
permesso un'interpretazione che ha portato alla verità ineluttabile: le
particelle che penetrano erano qualcosa come un elettrone, ma molto più pesante”.
Il Large Hadron Collider |
Alla
particella è stato originariamente assegnato il nome di "mesotrone". Come spesso accade nella scienza, non c'era un
"momento di Eureka " della scoperta, ma una graduale alba di un nuovo
paradigma attraverso il lavoro di molte persone, sia teorico e sia
sperimentale. Anderson ha avuto il merito (avendo già intascato un
premio Nobel per l'osservazione del positrone), ma c'è stata un considerevole coinvolgimento
personale di Bethe, Heitler, Rossi, Neddermeyer, Via, Stevenson, Carlson e Oppenheimer , senza
i cui contributi il "mesotrone"
non sarebbe stato scoperto. Il "mesotrone"
è stato subito ribattezzato il muone,
e divenne chiaro che il muone non
era un elettrone rosso o verde, giacché se fosse solo un
pesante o un elettrone più energico, dovrebbe decadere in un elettrone e un
fotone, e questo decadimento non è stato osservato. Il muone sembrava essere la propria particella distinta, di modo che
il muone (dopo l'elettrone) è stata la seconda particella fondamentale (cioè quella
che non sembra essere fatta di altre particelle) da scoprire. La sua scoperta
in tal modo ha segnato l'inizio della fisica
delle particelle come nuovo soggetto.
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