Composizione dell'universo: bosoni e fermioni
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Le famiglie fondamentali di particelle che formano il cosmo

Per una migliore conoscenza del mondo che ci circonda e dell’universo in cui viviamo, è di grande importanza conoscerne, almeno in modo sintetico, la composizione.

La domanda di “che cosa siamo fatti” ha sempre costituito un interrogativo che la scienza si è posta. E l’indagine ha sempre avuto evoluzioni verso la scoperta di elementi sempre più piccoli.

Già in epoca antica Democrito, a cavallo tra il V e il IV secolo a.C. aveva ipotizzato l’esistenza degli atomi (ἄτομος, átomos: indivisibile), pensando che fosse il «mattone» di base dell’universo.

Solo in epoca molto tarda e vicina ai nostri giorni abbiamo scoperto che esistono delle particelle sub-atomiche.

Attualmente lo studio dell’infinitamente piccolo costituisce l’avanguardia della scienza, anche se possiamo nella maggior parte dei casi formulare solo teorie per spiegarne la dinamica.

Approfondendo gli sforzi per capire come si comportano le particelle ci siamo accorti che le leggi della fisica newtoniana, in ambito di particelle, non concordano quando «trattiamo» l’infinitamente grande.

Vediamo però qual è al momento il quadro della situazione in relazione agli elementi fondamentali della materia.

Come già accennato le due famiglie più significative delle particelle sono bosoni e fermioni. Per spiegarne la differenza occorre soffermarsi un momento sul concetto di «stato quantico».

Nella Meccanica Quantistica si utilizza un’entità matematica per determinare la probabilità di ogni misurazione che si possa attuare in un sistema. Questo valore è appunto lo stato quantico. C’è da aggiungere che gli stati quantici possono mischiarsi, e questa mescolanza è a sua volta uno stato quantico.

Esistono dunque stati quantici puri e stati quantici misti. A concorrere alla determinazione di uno stato quantico è anche lo spin (rotazione), che non ha una grandezza corrispondente nella meccanica classica. Ai fini della nostra comprensione di bosoni e fermioni possiamo fermarci a queste sintetiche nozioni di base fondamentali.

Il bosone

La sua definizione classica può essere «particella subatomica che segue la statistica di Bose-Einstein e ha spin intero». Il nome è stato attribuito in omaggio al fisico indiano Satyendranath Bose.

I bosoni non obbediscono al principio di esclusione di Pauli, e quindi possono affollarsi uno stato quantico con più elementi. Un esempio è costituito dal laser, in cui i fotoni sono bosone vettore.

Sono bosoni tutte le particelle elementari che mediano le forze fondamentali e tutte le particelle composte che contano un numero pari di fermioni.

I fermioni

È una particella subatomica che ha spin semintero (1/2, 3/2, 5/2…), e dunque segue la statistica di Fermi-Dirac. Il suo nome è un omaggio a Enrico Fermi.

Il fermione rispetta il principio di esclusione di Pauli, e quindi occupa un singolo stato quantico e possiede sempre massa.

È importante perché tutta la materia conosciuta è costituita da fermioni, i quali applicano la forza attrattiva in modo diretto o indiretto.

Conoscendo anche in modo sommario come questo la natura di bosoni e fermioni possiamo iniziare a comprendere la composizione dell’universo in cui viviamo e le dinamiche delle ipotesi dello studio della vita e del cosmo.

Foto di Aron Visuals su Unsplash

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Di Enrico Cannoletta

Amante della natura e della Sampdoria.

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