Spin
Oltre alla massa e alla carica elettrica, che hai incontrato fino ad ora, le particelle hanno una fondamentale proprietà chiamata spin. Lo spin è un puro prodotto della meccanica quantistica con spin-off di ampia portata nelle tecnologie moderne e nell'elaborazione delle informazioni.
Ma che cosa è lo spin? Per capirlo prima dobbiamo introdurre il concetto di momento angolare. Il momento angolare è una quantità vettoriale, che sta al moto rotazionale come il momento sta al moto lineare. In meccanica classica il momento angolare può essere sia moto orbitale (come la rivoluzione annuale della Terra intorno al Sole) che spin (come la rotazione giornaliera della Terra atorno al suo asse nord-sud). In analogia alla teoria classica, lo spin viene introdotto come momento angolare intrinseco della particella fondamentale. Poiché non si può immaginare che una particella puntiforme ruoti nello stesso modo in cui ruota la Terra, l'analogia classica non deve essere spinta troppo oltre.
Semplificando lo spin ha a che fare con ciò che la particella a riposo ci appare da diverse direzioni. Nella vita quotidiana è possibile ruotare un oggetto e studiare il suo grado di (an)isotropia. Questo non è possibile nel microcosmo, soprattutto quando si tratta di particelle puntiformi. Di seguito metteremo l'accento sul comportamento delle particelle e la caratterizzazione delle loro proprietà intrinseche, incluso la rotazione.
Nella fisica delle particelle, ci affidiamo ai prodotti di decadimento di particelle di breve vita media per determinare la loro rotazione. Il momento angolare è una grandezza vettoriale conservata analoga al momento. Una quantità vettoriale è definita sia dall'ampiezza (lunghezza del vettore) che dalla direzione. La carica elettrica, massa e la temperatura sono chiamati quantità scalari, perchè l'ampiezza è sufficiente per caratterizzarle.
La meccanica quantistica assegna, alle particelle, valori di spin definiti, in blocchi distinti che rientrano in 2 categorie. I fermioni possiedono spin semi-intero (1/2, 3/2, 5/2, ...). I bosoni hanno spin intero (0, 1, 2, ...). Cerchiamo di discutere quelli a noi familiari. Le particelle che compongono la materia (leptoni, quark, protoni, neutroni) sono fermioni con spin 1/2. Le particelle della forza e la particella di Higgs sono bosoni. Il fotone, gluoni, W e Z sono bosoni di spin-1. La particella di Higgs è un bosone di spin-0.
Fermioni e bosoni hanno comportamenti collettivi opposti. I bosoni sono particelle sociali, nel senso che bosoni identici, con esattamente le stesse proprietà, possono occupare lo stesso stato. Il principio di funzionamento del laser si deve al fatto che un gran numero di fotoni possono condividere lo stesso stato. I fermioni sono particelle solitarie, soggette al principio di esclusione: 2 fermioni identici non si possono trovare esattamente nello stesso stato. Questo spiega la tavola periodica degli elementi, e tutta la chimica.