Diagrammi di Feynman: il caso del pinguino
Penguin on the stone coast of Antarctica, mountains in the background
Tra i diagrammi di Feynman utilizzati in teoria quantistica dei campi ne esiste uno alquanto stravagante. Il pinguino di Feymann è un diagramma di Feynman che descrive il decadimento del quark bottom. Infatti il fisico britannico John Ellis si accorse che modificando leggermente alcune linee del diagramma appariva una forma che ricordava quasi perfettamente un pinguino, anche se quasi privo di testa.
Chi è John Ellis
Il fisico John Ellis, professore di Fisica Teorica al King’s College London, si interessa alla fisica delle particelle e alla sua fenomenologia. Nel corso della sua carriera ha anche dato importanti contributi all’astrofisica, alla cosmologia e alla gravità quantistica. Le sue pubblicazioni si riferiscono spesso alla ricerca di nuove particelle e all’esplorazione della fisica che potrebbe essere realizzata con i futuri acceleratori. È stato uno dei pionieri dell’astrofisica delle particelle.
A cosa si deve l’idea del Pinguino
Il nome pinguino, che si riferisce ad un particolare tipo di diagramma, è stato coniato durante una serata al bar trascorsa da alcuni fisici delle particelle. John Ellis stava lavorando, a quei tempi, sulle proprietà dei “quark bottom”, una delle tante particelle fondamentali, scoperta da poco al Fermilab. Il problema da risolvere teoricamente era il decadimento della nuova arrivata.
John Ellis, quella sera di svago, sfidò a freccette una collega e in caso di sconfitta Ellis avrebbe dovuto inserire nel suo prossimo articolo scientifico avrebbe dovuto inserire la parola “pinguino”. Ellis perse la partita allora dovette studiare un espediente per inserirlo nel progetto a cui stava lavorando.
Mentre disegnava un diagramma di Feynman che potesse rispondere al problema da risolvere, si accorse che modificando leggermente alcune linee appariva una forma che ricordava quasi perfettamente un pinguino. Così Ellis non solo aveva risolto il mistero della nuova particella, ma aveva anche un buon motivo per inserire “pinguino” nel suo lavoro scientifico. Da allora questo tipo di diagramma prende nome di pinguino di Ferynman.
Cos’è un quark
Con quark si indica una particella elementare che è un costituente fondamentale della materia. Questo tipo di particelle si combinano dando luogo agli adroni, quali ad esempio i protoni e neutroni. Inoltre la materia è composta da quark up, quark down ed elettroni. Un’altra caratteristica dei quark sta nel fatto che essi non si presentano mai isolati. Infatti possono essere trovati solo all’interno degli adroni, che includono barioni (come protoni e neutroni) e mesoni, o nei plasmi di quark e gluoni.
Il quark bottom
Il quark bottom, noto anche come quark beauty, è un quark pesante con una carica pari a -1/3 della carica elementare dell’elettrone. Esso è ben descritto da una branca della meccanica quantistica che è detta cromodinamica quantistica. Il quark bottom è molto importante in quanto è un prodotto di decadimento frequente del bosone di Higgs.
Cosa sono i diagrammi di Feynman
Nella teoria quantistica dei campi (QED) i diagrammi di Feynman sono rappresentazioni di un termine delle serie perturbativa dell’ampiezza di scattering per un processo definito dagli stati iniziali e finali. Mediante questi diagrammi si realizzano approssimazioni dell’ampiezza di scattering da pochi termini della serie perturbativa. Essi corrispondono a pochi semplici diagrammi di Feynman con le stesse linee entranti ed uscenti connesse da differenti vertici e linee interne. Più un diagramma è complesso minore è la probabilità che avvenga.
La caratteristica principale è che i diagrammi di Feynman sono solamente dei grafi, non prevedono quindi il concetto di posizione o spazio, e neanche di tempo. Dunque esiste solo la distinzione di linee entranti ed uscenti.
Caratteristiche dei diagrammi di Feynman
In un diagramma di Feynman le particelle vengono rappresentate con delle linee, che variano a seconda del tipo di particella a cui sono associate. Il punto dove le linee si intersecano è chiamato vertice di interazione. Inoltre nella teoria quantistica dei campi si distinguono tre categorie di linee:
- linee interne: connettono due vertici;
- linee entranti: vengono dal “passato” ed entrano in un vertice e rappresentano gli stati inizialmente non interagenti;
- le linee uscenti: partono da un vertice e si estendono “al futuro” e rappresentano gli stati finali non interagenti.