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Cosa studia
Generalità
Differenza tra la cromodinamica quantistica e la meccanica quantistica
Quantum Chromodynamic, Qcd
Libertà asintotica
Cosa studia.
In fisica delle particelle fondamentali, la cromodinamica quantistica, o quantocromodinamica, o QCD (acronimo dell’inglese Quantum Chromo Dynamics), è la moderna teoria dell’interazione nucleare forte, la cui forma matematica è stata elaborata sul modello dell’elettrodinamica quantistica (o QED, Quantum Electro Dynamics), la moderna teoria quantistica dell’interazione elettromagnetica.
Il termine “cromo” indica che le forze agiscono tra cariche di “colore” e non tra cariche elettriche, come nell’elettrodinamica quantistica.
Generalità
Una caratteristica affascinante della natura sulla Terra è la sua sorprendente varietà, frutto di un numero infinito di combinazioni atomiche. I nuclei costituiscono la gran parte della massa degli atomi e rappresentano la quasi totalità della materia ordinaria osservata nell’Universo.
Gli atomi si sono formati solo molto dopo la creazione dei nuclei, poiché il legame tra elettroni e nuclei, è possibile solo a temperature molto basse, se confrontate con quelle delle grandi esplosioni cosmiche e delle fornaci delle stelle, dove i nuclei vengono prodotti.
Differenza tra la cromodinamica quantistica e la meccanica quantistica.
I protoni e i neutroni, al pari delle altre particelle che sperimentano l’interazione forte – gli adroni – non sono particelle elementari ma sono costituiti da ingredienti più fondamentali: i quark.
I quark hanno caratteristiche intrinseche molto diverse da quelle di altre particelle, quali l’elettrone e il neutrino. La prima caratteristica rilevante è che essi hanno carica elettrica frazionaria rispetto a quella dell’elettrone e ciò si riflette nel modo in cui essi si combinano a formare gli adroni.
Inoltre, i quark possiedono un’altra proprietà, detta colore. Il termine non ha alcuna attinenza con la luce visibile ed è soltanto una metafora per il fatto che tale proprietà sussiste in 3 varietà, dette rosso, verdee blu. Gli antiquark portano gli anticolori corrispondenti. La ricetta per formare un adrone è semplice da enunciare: i quark vanno combinati in modo che il colore complessivo sia nullo.
Questo significa che i quark non possono mai essere prodotti come particelle libere isolate, ma si trovano permanentemente confinati all’interno di particelle “bianche”.
Alla radice di questo bizzarro comportamento c’è la natura particolare dell’interazione tra i quark. Questa è di un tipo completamente nuovo e mediata da un nuovo tipo di particelle, i gluoni, i quali risentono dei colori dei quark. Il colore svolge in questo modello il ruolo svolto dalla carica elettrica nell’elettromagnetismo, e per questo ci riferiamo a questa nuova interazione con il nome di forza di colore e alla teoria che la descrive con il nome di cromodinamica quantistica (dall’inglese quantum chromodynamic, Qcd).
La forza di colore tra due quark non diminuisce con la distanza che li separa, il che è all’origine del loro confinamento all’interno degli adroni. L’altra faccia di questa proprietà è rappresentata dalla cosiddetta libertà asintotica, vale a dire il fatto che ad altissima energia – il che, per il principio d’indeterminazione di Heisenberg, equivale alle piccolissime distanze – quark e gluoni interagiscono molto debolmente tra loro. In altre parole, la forza di colore agisce come una sorta di molla.
Così come protoni e neutroni non sono fondamentali, non lo è nemmeno la loro reciproca interazione, vale a dire la forza nucleare. Questa altro non è che un residuo dell’interazione di colore tra i quark e i gluoni che li compongono, allo stesso modo in cui l’interazione tra atomi e molecole deriva dalle interazioni elettromagnetiche tra gli elettroni e protoni costituenti.
Gli antiquark, a loro volta possono esistere in ciascuno dei tre stati, o colori, ai quali vengono attribuiti numeri quantici resi convenzionalmente con il nome dei colori complementari: antirosso o cyan, antiverde, o magenta, antiblu o giallo. I gluoni, mediatori dell’interazione forte, derivano il loro nome dall’inglese lue, colla, perché sono come la colla che tiene insieme i quark. I gluoni hanno massa nulla, ma anch’esse dotate della proprietà, o numero quantico, denominata carica di colore
In questo la cromodinamica quantistica si differenzia dall’elettrodinamica quantistica, nella quale l’interazione elettromagnetica avviene tra particelle dotate di carica elettrica attraverso lo scambio di particelle prive di massa (i fotoni), ma anche prive di carica elettrica.
Nei barioni, l’introduzione del grado di libertà denominato colore permette di superare la contraddizione di avere tre fermioni (i tre quark) esattamente nello stesso stato quantico. I barioni vengono così rappresentati da tre quark di diverso colore uno rosso, uno verde e uno blu, combinati quindi in modo da dare una risultante neutra per quanto riguarda la carica di colore. In questo caso il bianco, che è la risultante del rosso, del verde e del blu, nel mondo delle particelle fondamentali viene a corrispondere alla neutralità rispetto al colore. Allo stesso modo, i mesoni, sono composti da un quark e da un antiquark. Ciò rende anche i mesoni neutri riguardo al colore. Mentre la forza di colore, che si esercita tra i quark, aumenta all’aumentare della distanza, la forza che si esercita tra i nucleoni del nucleo diminuisce rapidamente all’aumentare della distanza tra i nucleoni: ciò è dovuto al fatto che si tratta di interazioni tra particelle mediatrici neutre rispetto al colore.
Nella cromodinamica quantistica, quanto più i quark sono vicini tra loro tanto minore è l’interazione di scambio che si esercita. Ma quanto più si allontanano tanto più intensa diventa l’interazione, come se i quark fossero uniti da un elastico che quanto più si tende tanto più rende intensa la forza esercitata.
Libertà asintotica
Il termine libertà asintotica significa che, come mostrano bene le esperienze, a distanza ravvicinata i quark si comportano come particelle libere. Se però si agisce nel senso di tentare di allontanarli, essi sviluppano una forza attrattiva estremamente alta che cresce al crescere della distanza, sino a precludere del tutto la possibilità di poter mai osservare direttamente un quark separato dall’altro o dagli altri che con esso formano i barioni e i mesoni (proprietà del confinamento dei quark).
La cromodinamica quantistica rappresenta, insieme all’elettrodinamica quantistica, un contributo essenziale al Modello Standard delle particelle e delle interazioni, la teoria che descrive in un unico ambito tutte le interazioni fondamentali, a eccezione di quelle gravitazionali.
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