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L’ universo conosciuto, esseri umani compresi, è costituito per definizione da materia. Ogni frammento macroscopico è l’aggregazione di elementi microscopici che hanno come strutture fondamentali gli atomi. Questi sono costituiti da elettroni e nuclei, corpi dotati di massa e di carica elettrica di segno opposto, legati fra loro dalla forza attrattiva coulombiana. In ogni atomo il numero dei protoni nel nucleo è uguale a quello degli elettroni. Per questo un atomo è detto elettricamente neutro.

Elettroni, protoni e neutroni

 Gli esperimenti mostrano che gli elettroni sono particelle prive di struttura interna. Sono pensati come puntiformi e sono in senso proprio particelle elementari. 

Diversamente dagli elettroni, i nuclei atomici hanno una loro struttura interna: sono aggregati di particelle dette nucleoni e distinte in protoni e neutroni.

Il protone ha carica elettrica uguale e opposta a quella dell’elettrone, mentre il neutrone è elettricamente neutro. I nucleoni sono tenuti insieme nei nuclei grazie a una interazione detta forte in grado di vincere la repulsione coulombiana tra i protoni.

Gli esperimenti mostrano che il neutrone e il protone sono aggregati di particelle elementari dette quark, fermioni di spin ½ dotati della particolarità di avere una carica elettrica frazionaria.

Neutrone e protone sono esempi della famiglia delle particelle subatomiche impropriamente dette elementari.

positroni e antiprotoni

Gli esperimenti mostrano che, oltre a quelle costituenti la materia, in natura esistono altre particelle con proprietà facilmente collegabili alle precedenti. Nell’atmosfera sono osservabili particelle con la stessa massa degli elettroni e dei protoni ma con carica elettrica di segno opposto (dette, rispettivamente, positroni e antiprotoni). 

I positroni sono continuamente prodotti, per esempio, dall’interazione della componente elettromagnetica della radiazione cosmica con i gas atmosferici. Gli antiprotoni dall’ interazione dei protoni cosmici. Essi hanno un’elevata probabilità di svanire (annichilare) per collisione con gli elettroni e i nuclei della stessa atmosfera.

Positroni e antiprotoni sono i più comuni esempi di particelle di antimateria o antiparticelle. Gli esperimenti mostrano che a ogni particella si accompagna un’antiparticella: a ogni leptone si accompagna un antileptone e a ogni barione un antibarione. Nel caso di particelle neutre la particella può coincidere con la sua antiparticella (è il caso, per esempio, del fotone e del pione neutro) o non coincidere (ad esempio neutrone e antineutrone sono particelle distinte).

collisione materia-antimateria

Quando elettrone-positrone entrano in collisione, la massa e le cariche elettriche ad esse associate svaniscono (o annichilano) e l’energia corrispondente compare sotto forma di fotoni o quanti di energia elettromagnetica. In questo processo vengono emesse proprio quelle particelle, i fotoni, attraverso il cui scambio si realizza l’interazione fra cariche elettriche.

Anche nella collisione fra un protone e un antiprotone, la massa e le cariche elettriche svaniscono e l’energia associata compare come massa ed energia cinetica di particelle più leggere. Quando un antiprotone annichila con uno dei nucleoni costituenti, rilascia una energia pari a due volte la massa dell’antiprotone, circa 1900 MeV.  Questa energia è tale da far esplodere in nucleo di neon producendo frammenti nucleari molto pesanti e altre particelle tra cui un pione lento che decade in un muone (chiamato anche “elettrone pesante”) e in un neutrino.

Infine, il muone, dopo aver percorso una spirale di circa 2,6 m di lunghezza, decade a sua volta in un positrone (detto anche anti-elettrone o elettrone positivo) e due neutrini non visibili.  

produzione di coppie

Analogamente, si ha una produzione di coppie quando un fotone di energia superiore a 1.022 MeV interagendo col campo di forza del nucleo, scompare con la contemporanea creazione di 2 particelle: un elettrone e un positrone.  Tutta l’energia oltre la soglia di 1.022 MeV è distribuita in ugual misura tra le due particelle sotto forma di energia cinetica. L’elettrone così prodotto può provocare ionizzazioni, mentre il positrone va incontro ad annichilazione, con la conseguente produzione di 2 radiazioni gamma di 0.511 Mev dirette in direzioni diametralmente opposte.

Queste erano le principali particelle di materia e antimateria
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