Cosa rende la forza forte così speciale?

Un protone (primo piano) è composto da tre quark, ciascuno con una proprietà unica chiamata color. Sono tenuti stretti dalla forte forza nucleare.

(Immagine: © Lawrence Berkeley National Laboratory)

Paul M. Sutter è un astrofisico a La Ohio State University, ospite di Chiedi a un astronauta e Space Radioe autore di Il tuo posto nell'universo. Sutter ha contribuito a questo articolo Voci degli esperti di Space.com: Op-Ed & Insights.

Tutte e quattro le forze conosciute della natura hanno il loro posto unico. Gravità, elettromagnetismo, nucleare debole, nucleare forte: ognuno governa un piccolo dominio della nostra vita. Mentre le nostre esperienze quotidiane sono dominate dalla gravità della Terra e dall'elettromagnetismo della luce e dei magneti per il frigo, anche le forze nucleari gemelle svolgono ruoli chiave - solo su scale molto, molto minuscole.

Quanto minuscolo? Immagina di essere in mongolfiera per diventare la dimensione del sistema solare. Le tue mani nuotano attraverso il Oort Cloud stesso, i pianeti si annidano sopra l'ombelico. Sei così grande che i segnali elettrici impiegano settimane o addirittura mesi per compiere il loro viaggio attraverso il tuo sistema nervoso, rendendo dolorosamente lenti anche i gesti più semplici.

Questa è la differenza tra le dimensioni attuali (circa un paio di metri) e 10 ^ 15 metri.

Ora eseguilo al contrario. Immagina una scala così piccola che il tuo corpo attuale si sente vasto come il sistema solare. Una scala in cui i tuoi movimenti si muovono nel ritmo più lento. Questa scala incredibilmente piccola è il femtometro: 10 ^ -15 metri. È la scala del nucleo atomico.

Nel protone

Da qui, è allettante pensare al protone come a una singola particella. Un guscio duro di carica e massa positiva, in grado di rimbalzare e battere facilmente come una palla da biliardo. Ma in realtà, un protone è composto da tre particelle più piccole. Queste particelle hanno il nome deliziosamente eccentrico di quark. Ci sono un totale di sei tipi di quark in natura, ma per il nostro attento esame del protone dobbiamo solo preoccuparci di due di loro, chiamati i quark up e down.

Come ho detto, un protone è una tripletta di quark: due quark up e uno quark down. Questi quark si uniscono come una squadra, e quella squadra legata è ciò che chiamiamo protone.

Tranne che non dovrebbe avere alcun senso.

I due quark up hanno esattamente la stessa carica elettrica (perché sono esattamente lo stesso tipo di particella), quindi dovrebbero assolutamente odiarsi. Come fanno a rimanere così incollati?

E per di più, sappiamo dalla meccanica quantistica che due quark non possono condividere lo stesso identico stato - non puoi avere due dello stesso tipo legati insieme in quel modo. A quei due quark up non dovrebbe essere permesso di convivere insieme in quel modo. Eppure non solo si tollerano a vicenda, ma sembrano davvero apprezzare la compagnia!

Cosa sta succedendo?

Un colore diverso

Negli anni '50 e '60, i fisici hanno iniziato a rendersi conto che il protone non è fondamentale: può essere suddiviso in parti più piccole. Quindi hanno fatto un sacco di esperimenti e sviluppato un sacco di teorie per rompere quel dado particolare. E si imbatterono immediatamente in a) l'esistenza di quark eb) i misteriosi enigmi sopra.

Qualcosa stava tenendo insieme quei tre quark. Qualcosa di veramente forte. Una nuova forza della natura.

La forza forte.

La forza allora ipotizzata risolse i problemi dei quark coesistenti con la semplice forza bruta. Oh, non ti piace stare insieme perché non puoi condividere lo stesso stato? Beh, peccato, la forza forte ti farà comunque fare, e fornirà un modo per aggirare quel problema.

E ogni forza ha un punto di connessione. Un gancio. Un modo per dire a quella forza quanto ne sei influenzato. Per la forza elettromagnetica è la carica elettrica. Per gravità è la massa. Per la forte forza nucleare, i fisici hanno dovuto escogitare un nuovo gancio. Un modo per un quark di connettersi a un altro quark tramite quella forza. E i fisici hanno scelto la parola colore.

Quindi se tu o una particella che conosci possiede questa nuova proprietà chiamata colore, allora puoi sentire la forte forza nucleare. Il tuo colore può essere di rosso, verde o blu (confusamente c'è anche anti-rosso, anti-verde e anti-blu, perché ovviamente la vita non è così semplice). Per costruire una particella come un protone, tutti i colori dei quark devono aggiungere al bianco. Quindi un quark viene assegnato al rosso, l'altro assegnato al verde e l'ultimo assegnato al blu. La specifica assegnazione del colore in realtà non ha importanza (e, di fatto, i singoli quark cambiano costantemente colore), ciò che conta è che tutti si sommano al bianco e che la forza forte può fare il suo lavoro.

Questa nuova proprietà del colore è ciò che consente ai quark di condividere uno stato all'interno di un protone. Con il colore, non esistono due quark esattamente uguali: ora hanno colori diversi.

Super forza

Immagina di prendere due piccole pinze e di afferrare due dei quark nel protone. Ti alleni, quindi sei in grado di superare la forza della forte forza nucleare che li tiene insieme.

Ma ecco qualcosa di strano nella forza forte: non diminuisce con la distanza. Altre forze, come la gravità e l'elettromagnetismo, lo fanno. Ma la forza forte rimane forte come sempre, non importa quanto distanti quei quark.

Quindi, mentre tiri su quei quark, devi continuare ad aggiungere sempre più energia per mantenere la separazione. Alla fine aggiungi così tanta energia che, essendo l'energia equivalente alla massa e tutto il resto, nuove particelle appaiono nel vuoto tra i quark. Nuove particelle come ... altri quark.

Questi nuovi quark trovano quasi immediatamente i loro nuovi amici separati e si legano insieme, gettando tutto il tuo duro lavoro e sudando in un singolo lampo di energia prima che la distanza tra loro sia persino evidente. Quando pensi di aver separato i quark, ne hanno già trovati di nuovi a cui legarsi. Questo effetto è noto come confinamento dei quark: la forza forte è in realtà così forte che ci impedisce di vedere un quark in isolamento.

È un peccato che non vedremo mai di che colore è.

Scopri di più ascoltando l'episodio "Cosa rende così forte la forza forte?" sul podcast Ask A Spaceman, disponibile su iTunes e sul Web all'indirizzo http://www.askaspaceman.com. Grazie a Kayja N. e Ter B. per le domande che hanno portato a questo pezzo! Poni la tua domanda su Twitter usando #AskASpaceman o seguendo Paul @PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter.

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