Tutto ebbe inizio con il protone ed il neutrone. Poi arrivarono le delta, cugine di questi nucleoni, solo un po’ più pesanti. Lo studio di queste particelle che ora chiamiamo “senza sapore”,  fece emergere uno schema ricorrente che venne spiegato introducendo una grandezza chiamata isospin. L’isospin deve il suo nome al fatto che le regole di somma che segue sono identiche a quelle dei momenti angolari pur non essendolo. L’isospin dà conto del fatto che i nucleoni e i loro cugini più pesanti appaiono in gruppetti all’interno dei quali le particelle hanno masse tra loro molto simili. Al tempo si credeva che appunto la grossa similitudine tra protone e neutrone fosse la causa di questo fenomeno, oggi invece sappiamo che è la conseguenza dell’enorme similitudine in termini di massa tra il quark up e il quark down.

Poi vennero i kaoni. I kaoni hanno due caratteristiche strane: la prima è che vengono sempre prodotti in coppia dall’interazione forte, la seconda è che vivono molto a lungo. Da queste caratteristiche si capì che essi posseggono una caratteristica, la stranezza, che è conservata dall’interazione forte (la produzione a coppie con un kaone con stranezza +1 ed un altro con stranezza -1 conserva la somma zero prima e dopo la reazione) ed è invece violata da quella debole (la vita media è inversamente proporzionale all’intensità dell’interazione). Capite che lo zoo delle particelle iniziava ad affollarsi: nucleoni, altre particelle leggere come i pioni, ed ora anche un’intera famiglia di particelle strane! Una bella confusione. A questo punto entra in gioco Murray Gell-Mann che propone un modello formato da tre elementi fondamentali, che si combinano dando vita allo zoo delle particelle. Il modello passa alla storia con il nome di “Eightfold Way” perché spiega la fenomenologia degli otto mesoni (particelle composte da una coppia quark-antiquark) più leggeri. Gell-Mann lo considera un bel modello ma non crede, o almeno non dice di credere, che queste entità fondamentali abbiano un significato fisico. Anzi non sa proprio come chiamarle e ruba una parola senza senso da un passo dell’Ulisse di Joyce: “Three quarks for Muster Mark”.

Lo studio delle particelle strane getta le basi della teoria elettrodebole. Ma come in tutti i romanzi c’è un mistero: sembra che le particelle strane decadano troppo lentamente. Nicola Cabibbo, che alla fine resterà uno dei pochi in questa storia a non vincere il Nobel, intuisce che la causa di questo fenomeno è il fatto che i quark si mischiano tra di loro. Nasce l’angolo di Cabibbo che dà conto del fatto che il quark up si trasforma in 4 casi su 5 in un quark down e solo nel rimanente caso in uno strange. Ma c’è un secondo mistero, le “flavor changing neutral currents”, dei fenomeni che dovrebbero consentire alcuni tipi di decadimenti che invece non si osservano. E qui c’è il colpo di scena. Grandioso, geniale, inaspettato come il finale dei Dieci Piccoli Indiani, che porta il nome di Glashow, Iliopoulos e Maiani, GIM per gli amici. I tre capiscono che l’unica possibilità è che esista un quarto quark, il charm, che viene cercato e trovato da Ting e Burton. Il primo quark a essere predetto prima della sua scoperta.

Sembra tutto finito, ma come in un penitenziario psichiatrico su un’isola inaccessibile, nulla è come sembra. All’improvviso si scopre la violazione di CP: materia e antimateria si comportano in modo diverso. Ma nella teoria non ci sono abbastanza gradi di libertà perché ciò avvenga, serve qualcosa in più. In particolare servono Kobayashi e Maskawa, che costruendo sul modello di Nicola Cabibbo e sul meccanismo di GIM fanno 2+2, o meglio sarebbe dire 3×3. Infatti nella teoria di Cabibbo c’è una matrice 2×2 che spiega come i quark up e charm interagiscono con i down e gli strange, che come dicevo non ha abbastanza gradi di libertà per spiegare l’origine della violazione di CP. Ma se aggiungiamo due nuovi quark, per spiegare le interazioni tra i 3 quark up, charm e top e i 3 quark down, strange e bottom serve una matrice 3×3, che ha abbastanza gradi di libertà. Il quark bottom viene cercato e scoperto a Fermilab nel 1977, per il top bisogna aspettare molto più tempo, è il 1995 e siamo sempre a Fermilab. SLAC e il suo cugino giapponese, KEK, sono invece il teatro dove nei primi anni 2000 la teoria di Kobayashi e Maskawa  viene messa sotto torchio dalle B-factories, passando tutti i test sperimentali e regalando un biglietto per Stoccolma ai due teorici giapponesi, ma purtroppo non a Cabibbo, che da questo Nobel resta ingiustamente tagliato fuori.

La storia della scoperta e dello studio dei quark mi è sempre sembrata un grande esempio di come funziona un rapporto sano tra fisica teorica e fisica sperimentale. I teorici fanno supposizioni e spiegano dati incomprensibili e gli sperimentali cercano conferme o confutazioni alle teorie dei teorici. Un rapporto stretto e inscindibile che continua tutt’oggi con le teorie che prevedono l’esistenza di una quarta famiglia di quark e le ricerche infruttuose per scovarla.