I nucleoni, ovvero i protoni ed i neutroni, costituiscono il 99.9% della materia, mentre il restante 0.1% è dato dagli elettroni. E' consolidata l'idea che l'elettrone è una particella elementare senza una sottostruttura mentre i nucleoni sono essenzialmente formati da quark , particelle puntiformi senza struttura interna. Molte proprietà dei nucleoni si possono derivare combinando le caratteristiche dei quark componenti. Questo non accade per lo spin e ciò ha creato, per anni, forti dubbi nei fisici circa la validità del modello finora formulato per spiegare la struttura della materia. Ma cos'è lo spin ? Insieme a grandezze quali la carica elettrica o la massa, lo spin è una delle poche grandezze fondamentali che formano la “carta d'identità” delle particelle elementari. Al contrario delle prime, l'ultima è una grandezza puramente “quantistica” difficilmente rapportabile all'esperienza quotidiana ed indica che i mattoni fondamentali della materia hanno un “momento angolare intrinseco”. Se si vuole avere una interpretazione naive del momento angolare si può pensare che equivale ad una rotazione. La Terra, per esempio, ha un momento angolare orbitale dovuto alla sua rivoluzione intorno al Sole ed un momento angolare intrinseco dovuto alla rotazione intorno al proprio asse. Estendendo tale concetto dal macroscopico al microscopico, è come se tutte le particelle fossero delle mini trottole. Tutta la materia che conosciamo è formata da oggetti in rotazione. Il protone e tutti i suoi componenti possono essere schematizzati come tante piccole trottole.
La meccanica quantistica ci insegna però che lo spin può assumere solo determinati valori: interi (0, 1, 2, ...) o semi-interi (1/2, 3/2, ...). Questo non è un dato da poco perché determina il comportamento di una particella e quindi dell'intero Universo. Le particelle come i quark , quelle composte dai quark o gli elettroni hanno spin semi-intero e sono considerate i mattoni dell'Universo.
Le particelle come i fotoni o i gluoni hanno spin intero e sono i mediatori delle forze fondamentali. Di conseguenza, al contrario della massa o della carica elettrica, lo spin è la grandezza fisica che “specializza” il comportamento delle particelle.
La formulazione teorica dello spin è stata fatta negli anni '20 dal fisico austriaco Wolfgang Pauli, ma, come accennato in precedenza, la misura sperimentale dello spin ha riservato per anni incertezze dovute al fatto che lo spin totale di una particella non corrispondeva allo spin totale portato dai suoi costituenti elementari. Solo negli ultimi anni, grazie alle difficili misure di alta precisione dell'esperimento HERMES presso i laboratori DESY di Amburgo, in collaborazione con i fisici del laboratorio dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare di Frascati ( http://hermes.desy.de e http://www.lnf.infn.it ), il complicato puzzle è stato risolto. Lo spin dei nucleoni è dato non solo dalla somma dello spin dei quark, ma da quello dei gluoni (particelle mediatrici che vengono scambiate tra i quark) e da tutte le particelle e anti-particelle, che quest'ultimi possono formare all'interno del nucleone, in un'incessante danza di evanescenti particelle in continua creazione e annichilazione.
Il puzzle dello spin è sulla via della completa risoluzione e così anche il modello delineato finora dai fisici per descrivere il comportamento della materia nell'Universo è salvo ... almeno per il momento.

scritto da Pasquale Di Nezza |