La forza nucleare forte è, come avrete capito, una forza molto forte. È così potente che è in grado di tenere insieme alcune delle particelle più piccole dell’universo per periodi molto lunghi, forse per sempre. Le particelle legate dalla forza forte formano i mattoni del nostro mondo quotidiano: protoni e neutroni. Ma se tu dovessi aprire un protone o un neutrone, non troveresti una bella e semplice disposizione di particelle subatomiche. Vedresti invece le disgustose viscere di una delle forze più complesse dell’universo.
Protoni e neutroni non sono le uniche cose che la forza forte è in grado di fare, ma non capiamo veramente le altre disposizioni più complesse ed esotiche. Per di più, anche le nostre osservazioni ed esperimenti sono essi stessi molto sommari. Ma i fisici stanno lavorando duramente per cercare di mettere insieme i pezzi di questa forza fondamentale della natura.
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Forte e complessa
Per descrivere la forza forte, è meglio contrastarla con la sua cugina molto più famosa, la forza elettromagnetica. Con la forza elettromagnetica le cose sono semplici, facili e dirette; tanto che gli scienziati del 1900 sono stati in grado di capirla per lo più. Con la forza elettromagnetica, qualsiasi particella può unirsi alla festa, purché abbia una proprietà chiamata carica elettrica. Se ha questa carica, allora può sentire e rispondere alla forza elettromagnetica. E tutti i tipi di particelle di tutti i tipi e sapori hanno una carica elettrica, come l’elettrone da giardino.
Un’altra particella, la particella di luce (nota anche come fotone), fa il lavoro di trasmettere la forza elettromagnetica da una particella carica all’altra. Il fotone stesso non ha una propria carica elettrica ed è privo di massa. Viaggia alla velocità della luce, sfarfallando avanti e indietro attraverso l’universo, facendo accadere l’elettromagnetismo.
Carica elettrica. Un singolo portatore della forza elettromagnetica. Semplice, diretto.
Al contrario, ci sono sei particelle che sono soggette alla forza nucleare forte. Come gruppo, sono conosciute come i quark e hanno nomi sufficientemente bizzarri come up, down, top, bottom, strange e charm. Per sentire e rispondere alla forza nucleare forte, questi quark hanno una carica propria. Non è una carica elettrica (sebbene abbiano anche una carica elettrica e sentano anche la forza elettromagnetica), ma per varie ragioni che rendono le cose molto confuse, i fisici chiamano questa carica speciale associata alla forza nucleare forte la carica di colore.
I quark possono avere uno dei tre colori, chiamati rosso, verde e blu. Solo per chiarire, non sono colori reali, ma solo etichette che diamo a questa strana proprietà simile alla carica.
Quindi, i quark sentono la forza forte, ma è trasportata da un’intera serie di altre particelle – otto, per essere precisi. Si chiamano gluoni, e fanno un ottimo lavoro di… aspetta che arriva… incollare i quark insieme. I gluoni hanno anche la capacità e il desiderio di portare la propria carica di colore. E hanno massa.
Sei quark, otto gluoni. I quark possono cambiare la loro carica di colore, e anche i gluoni possono, perché no.
Tutto questo significa che la forza nucleare forte è molto più complessa e intricata del suo cugino elettromagnetico.
Stranamente forte
Ok, ho mentito. I fisici non hanno chiamato questa proprietà dei quark e dei gluoni “la carica di colore” solo perché ne avevano voglia, ma perché serve come utile analogia. I gluoni e i quark possono legarsi insieme per formare particelle più grandi, purché tutti i colori si sommino al bianco, proprio come la luce rossa, blu e verde si sommano alla luce bianca. La combinazione più comune è di tre quark, uno ciascuno di rosso, verde e blu. Ma qui l’analogia diventa un po’ complicata, perché ogni singolo quark può avere qualsiasi colore assegnato in qualsiasi momento; ciò che conta è il numero di quark per ottenere le giuste combinazioni. Così si possono avere gruppi di tre quark per fare i noti protoni e neutroni. Si può anche avere un quark che si lega con il suo anti-quark, dove il colore si annulla con se stesso (ad esempio, il verde si accoppia con l’anti-verde, e no, non me lo sto inventando di sana pianta), per creare un tipo di particella nota come mesone.
Ma non finisce qui.
Teoricamente, qualsiasi combinazione di quark e gluoni che si aggiungono al bianco è tecnicamente ammissibile in natura.
Per esempio, due mesoni – ognuno con due quark al suo interno – possono potenzialmente legarsi insieme in qualcosa chiamato tetraquark. E in alcuni casi, è possibile aggiungere un quinto quark al mix, bilanciando ancora tutti i colori, chiamato (avete indovinato) un pentaquark.
Il tetraquark non deve nemmeno essere tecnicamente legato insieme in una singola particella. Possono semplicemente esistere l’uno vicino all’altro, creando quella che viene chiamata una molecola idronica.
E quanto è folle questo: I gluoni stessi potrebbero anche non aver bisogno di un quark per fare una particella. Ci può essere semplicemente una palla di gluoni in giro, relativamente stabile nell’universo. Si chiamano glueball. La gamma di tutti i possibili stati legati consentiti dalla forza nucleare forte è chiamata spettro del quarkonio, e questo non è un nome inventato da uno scrittore di telefilm di fantascienza. Ci sono tutti i tipi di pazze combinazioni potenziali di quark e gluoni che potrebbero esistere.
Così fanno?
Quark Rainbow
Forse.
I fisici hanno condotto esperimenti sulla forza nucleare forte per un bel po’ di decenni, come l’esperimento Baber e alcuni al Large Hadron Collider, costruendo lentamente negli anni fino a livelli di energia più alti per sondare sempre più a fondo lo spettro del quarkonio (e sì, hai il mio permesso di usare questa frase in qualsiasi frase o conversazione casuale tu voglia, è così fantastico). In questi esperimenti, i fisici hanno trovato molte collezioni esotiche di quark e gluoni. Gli sperimentatori danno loro nomi strani, come χc2(3930).
Queste particelle esotiche potenziali esistono solo fugacemente, ma in molti casi esistono definitivamente. Ma i fisici hanno difficoltà a collegare queste particelle prodotte brevemente a quelle teoriche che sospettiamo debbano esistere, come i tetraquark e le glueball.
Il problema di fare la connessione è che la matematica è davvero difficile. A differenza della forza elettromagnetica, è molto difficile fare previsioni solide sulla forza nucleare forte. Non è solo a causa delle complicate interazioni tra i quark e i gluoni. Ad energie molto alte, la forza nucleare forte comincia effettivamente ad indebolirsi, permettendo alla matematica di semplificarsi. Ma a energie più basse, come l’energia necessaria per legare insieme quark e gluoni per creare particelle stabili, la forza nucleare forte è effettivamente, beh, molto forte. Questo aumento di forza rende la matematica più difficile da capire.
I fisici teorici hanno inventato un sacco di tecniche per affrontare questo problema, ma le tecniche stesse sono incomplete o inefficienti. Mentre sappiamo che alcuni di questi stati esotici nello spettro del quarkonium esistono, è molto difficile prevedere le loro proprietà e le loro firme sperimentali.
Ancora, i fisici stanno lavorando duro, come fanno sempre. Lentamente, nel tempo, stiamo costruendo la nostra collezione di particelle esotiche prodotte nei collisori, e stiamo facendo previsioni sempre migliori su come dovrebbero essere gli stati teorici dei quarkoni. Le corrispondenze si stanno lentamente unendo, dandoci un quadro più completo di questa strana ma fondamentale forza nel nostro universo.
Paul M. Sutter è un astrofisico della Ohio State University, ospite di Ask a Spaceman e Space Radio, e autore di Your Place in the Universe.
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Originariamente pubblicato su Live Science.
