La forte forza nucleare è, come avrete intuito, una forza davvero molto forte. È così potente che è in grado di riunire alcune delle particelle più piccole nell'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 dovessi tagliare un protone o un neutrone, non troverai una disposizione semplice e piacevole di particelle subatomiche. Invece vedresti le interiora disgustose di forse 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 davvero le altre disposizioni più complesse ed esotiche. Inoltre, anche le nostre osservazioni ed esperimenti sono molto imprecisi. Ma i fisici sono al lavoro per cercare di mettere insieme le intuizioni di questa forza fondamentale della natura.
Forte e complesso
Per descrivere la forza forte, è meglio contrastarla con il suo cugino molto più famoso, la forza elettromagnetica. Con la forza elettromagnetica le cose sono semplici, facili e dirette; così tanto che gli scienziati del 1900 furono in grado di capirlo per lo più. Con la forza elettromagnetica, qualsiasi particella può unirsi al gruppo purché abbia una proprietà chiamata carica elettrica. Se hai questa carica, allora puoi sentire e rispondere alla forza elettromagnetica. E ogni sorta di particelle di tutte le strisce e tutti i sapori portano una carica elettrica, come l'elettrone della varietà del tuo giardino.
Un'altra particella, la particella di luce (nota anche come fotone), svolge il compito di trasmettere la forza elettromagnetica da una particella carica a un'altra. Il fotone stesso non ha una propria carica elettrica ed è privo di massa. Viaggia alla velocità della luce, scorrendo avanti e indietro nell'universo, facendo accadere l'elettromagnetismo.
Carica elettrica. Un unico vettore della forza elettromagnetica. Semplice, diretto.
Al contrario, ci sono sei particelle che sono soggette alla forte forza nucleare. Come gruppo, sono conosciuti come i quark e hanno nomi sufficientemente eccentrici come su, giù, alto, basso, strano e affascinante. Per sentire e rispondere alla forte forza nucleare, questi quark hanno una carica propria. Non è una carica elettrica (anche se hanno anche una carica elettrica e avvertono anche la forza elettromagnetica), ma per vari motivi che rendono le cose davvero confuse, i fisici chiamano questa carica speciale associata alla forte forza nucleare la carica di colore.
I quark possono avere uno di tre colori, chiamati rosso, verde e blu. Giusto per chiarire, non sono colori reali, ma solo etichette che diamo a questa strana proprietà simile a una carica.
Quindi, i quark sentono la forza forte, ma sono trasportati da un'intera serie di altre particelle - otto, per essere precisi. Si chiamano gluoni e fanno davvero un ottimo lavoro di ... aspettalo ... incollando 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, perché perché no.
Tutto ciò significa che la forte forza nucleare è molto più complessa e complessa rispetto al suo cugino elettromagnetico.
Stranamente forte
Ok, ho mentito. I fisici non hanno chiamato questa proprietà dei quark e dei gluoni "la carica di colore" perché ne avevano voglia, ma perché serve come utile analogia. Gluoni e 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 tre quark, uno ciascuno di rosso, verde, e blu. Ma l'analogia diventa un po 'complicata qui, perché a ogni singolo quark può essere assegnato uno dei colori in qualsiasi momento; ciò che conta è il numero di quark per ottenere le giuste combinazioni. Quindi puoi avere gruppi di tre quark per creare i protoni e i neutroni familiari. Puoi anche avere un legame di quark con il suo anti-quark, in cui il colore si annulla con se stesso (come in, il verde si accoppia con l'anti-verde e no, non sto solo inventando questo mentre procedo), per creare un tipo di particella nota come mesone.
Ma non finisce qui.
Teoricamente, qualsiasi combinazione di quark e gluoni che si sommano al bianco è tecnicamente ammissibile in natura.
Ad esempio, due mesoni - ciascuno con due quark all'interno di essi - possono potenzialmente legarsi insieme in qualcosa chiamato tetraquark. E in alcuni casi, puoi aggiungere un quinto quark al mix, bilanciando ancora tutti i colori, chiamato (hai indovinato) un pentaquark.
Il tetraquark non deve nemmeno essere tecnicamente legato insieme in una singola particella. Possono semplicemente esistere uno accanto all'altro, rendendo quella che viene chiamata una molecola idronica.
E quanto è pazzo questo: i gluoni stessi potrebbero non aver nemmeno bisogno di un quark per creare una particella. Può semplicemente esserci una sfera di gluoni in sospeso, relativamente stabile nell'universo. Si chiamano glueballs. La gamma di tutti i possibili stati legati consentiti dalla forte forza nucleare è chiamata spettro del quarkonium, e questo non è un nome creato da uno scrittore di programmi televisivi di fantascienza. Ci sono ogni sorta di folli potenziali combinazioni di quark e gluoni che potrebbero esistere.
Quindi loro?
Quark Rainbow
Può essere.
I fisici hanno condotto forti esperimenti con la forza nucleare per alcuni decenni ormai, come il Baber Experiment e alcuni al Large Hadron Collider, lentamente nel corso degli anni si sono sviluppati a livelli di energia più elevati per sondare sempre più a fondo lo spettro del quarkonium (e sì hai il mio permesso di usare quella frase in qualsiasi frase o conversazione casuale che desideri, è fantastico). In questi esperimenti, i fisici hanno trovato molte collezioni esotiche di quark e gluoni. Gli sperimentatori danno loro nomi funky, come χc2 (3930).
Queste potenziali particelle esotiche esistono solo fugacemente, ma in molti casi esistono in modo definitivo. Ma i fisici hanno difficoltà a collegare queste particelle prodotte brevemente a quelle teoriche che sospettiamo dovrebbero esistere, come i tetraquark e le palle di colla.
Il problema con la connessione è che la matematica è davvero difficile. A differenza della forza elettromagnetica, è molto difficile fare previsioni solide che coinvolgono una forza nucleare forte. Non è solo a causa delle complicate interazioni tra quark e gluoni. A energie molto elevate, la forza della forte forza nucleare inizia effettivamente a indebolirsi, permettendo alla matematica di semplificarsi. Ma a energie più basse, come l'energia necessaria per unire quark e gluoni per creare particelle stabili, la forte forza nucleare è in realtà, beh, molto forte. Questa maggiore forza rende la matematica più difficile da capire.
I fisici teorici hanno messo a punto un sacco di tecniche per affrontare questo problema, ma le tecniche stesse sono incomplete o inefficienti. Mentre sappiamo che esistono alcuni di questi stati esotici nello spettro del quarkonio, è molto difficile prevederne le proprietà e le firme sperimentali.
Tuttavia, i fisici stanno lavorando duramente, come sempre. Lentamente, nel tempo, stiamo costruendo la nostra collezione di particelle esotiche prodotte in collettori e facendo previsioni sempre migliori su come dovrebbero apparire gli stati teorici del quarkonium. Le partite si stanno lentamente riunendo, dandoci un quadro più completo di questa strana ma fondamentale forza nel nostro universo.
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.
