Di Richard Webb
Domanda: quando una forza forte non è una forza forte? Risposta: quando è ovunque al di fuori del nucleo atomico. Questo almeno è il caso della forza nucleare forte, una delle quattro forze fondamentali della natura (le altre sono l’elettromagnetismo, la gravità e la forza nucleare debole).
La forza forte tiene insieme i quark, le particelle fondamentali che costituiscono i protoni e i neutroni del nucleo atomico, e tiene ulteriormente insieme protoni e neutroni per formare nuclei atomici., In quanto tale è responsabile della stabilità sottostante della materia. Il suo enorme potere è anche ciò che viene rilasciato nel processo di fusione nucleare al sole, o fissione nucleare in una bomba nucleare.
Su scale subatomiche di circa 1 femtometro, o 10-15m , è di gran lunga la più forte delle quattro forze, 137 volte più forte dell’elettromagnetismo e un milione di volte più forte dell’interazione debole. (La gravità è così debole da essere del tutto irrilevante su queste scale.) Il fatto che sia insignificante su scale più grandi è l’effetto paradossale di una strana stranezza di forza forte., Il fotone, che trasmette la forza elettromagnetica, non ha carica elettrica, ma le particelle note come gluoni che trasmettono la forza forte portano la “carica di colore”equivalente a forza forte. Partecipano quindi alla propria forza e possono interagire con se stessi.
Il risultato è che, mentre l’elettromagnetismo si indebolisce quando le particelle cariche elettricamente sono più distanti, se provi a tirare i quark e i gluoni che li legano a parte, la forza tra loro diventa più forte e li riporta insieme., Questo fenomeno, noto come libertà asintotica, significa che gli effetti di forza forte non si sentono mai al di sopra di una certa scala di lunghezza. Spiega anche perché né quark né gluoni possono avere un’esistenza autonoma. Appaiono sempre e solo come parte di particelle composite più grandi, come protoni e neutroni.
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C’è un intero serraglio di tali particelle, formato da combinazioni di sei tipi, o “sapori” di quark – up, down, strange, charm, bottom e top – più le loro antiparticelle equivalenti., Quali combinazioni di quark sono consentite è determinata da due ulteriori complicazioni.
In primo luogo, i quark portano non solo carica di colore, ma anche una carica elettrica di una frazione di un intero: +2/3 (up, charm e top quark), -1/3 (down, strange e bottom quark), -2 / 3 (up, charm e top antiquark) o +1/3 (down, strange e bottom antiquark). Le particelle composite costituite da quark, tuttavia, possono avere solo carica elettrica intera. In secondo luogo, non c’è solo un tipo di carica di colore, come c’è con carica elettrica, ma tre: rosso, verde e blu., I quark all’interno delle particelle possono cambiare colore purché conservino un equilibrio generale tra i colori.
Il risultato netto di tutto questo è che ci sono solo due tipi vitali di quark compositi: barioni, formati da tre quark (e i loro antibaryons equivalenti, formati da tre antiquark); e mesoni, che sono coppie quark-antiquark.,
Il protone e il neutrone, le uniche particelle di forza forte ad avere molta esistenza permanente nel nostro mondo attuale, sono entrambi barioni, con le configurazioni di quark (uud) per il protone, con la sua carica elettrica +1; e (udd) per il neutrone, risultando in una carica elettrica neutra complessiva. La differenza nelle configurazioni significa anche che il neutrone è sempre leggermente più pesante del protone. Questo fatto significa che il protone, per quanto si sa, non decade – un prerequisito fondamentale per la stabilità della materia atomica, e quindi per la nostra esistenza.,
Il modello di quark è stato ideato dai fisici Murray Gell-Mann e George Zweig in modo indipendente nei primi anni 1960 (il nome “quark” era una parola senza senso da Finnegans Wake di James Joyce che Gell-Mann è capitato di come il suono di). I suoi modelli sottostanti spiegavano una profusione di particelle di masse diverse che stavano spuntando in esperimenti di acceleratore apparentemente senza rima o ragione al momento., Nel 1973, David Gross e Frank Wilczek, e indipendentemente David Politzer, hanno scoperto la proprietà chiave della libertà asintotica che è alla base della cromodinamica quantistica, o QCD, la teoria quantistica dei campi della forza forte – un risultato per il quale tutti e tre hanno condiviso il premio Nobel per la fisica 2004.
QCD è una delle due teorie quantistiche di campo, insieme all’elettrodinamica quantistica o QED, la teoria unificata dell’elettromagnetismo e della forza nucleare debole, che insieme costituiscono l’associazione sciolta nota come modello standard della fisica delle particelle., Rimane una grande speranza dei fisici che QCD e QED potrebbero un giorno essere uniti in un’unica teoria. Si pensa che l’elettrodebole e le forze forti abbiano agito come una cosa sola nei primi momenti incredibilmente caldi dell’universo. Trovare prove di questa “grande teoria unificata” richiederebbe di ricreare quelle condizioni altamente energetiche, un compito attualmente al di là anche del Large Hadron Collider del CERN, lo smasher di particelle più muscolare che abbiamo.
Nel frattempo, QCD rimane una forza diabolicamente difficile da fare calcoli con solo da solo., La miriade di interazioni di forza forte tra quark e gluoni all’interno di particelle come protoni e neutroni può essere affrontata solo con approssimazioni, in una tecnica nota come reticolo QCD. Questo è uno dei motivi per cui alcuni fatti piuttosto basilari di forza forte, come quanto è grande un protone, rimangono molto contestati.