Dal CERN nuove conferme della Forza Forte

Il mondo dell’infinitamente grande è governato dalle stesse leggi che regolano l’infinitamente piccolo? Il buonsenso suggerisce una risposta affermativa, ma da decenni il dibattito è acceso in quanto teorie fin ora inconciliabili trovano sempre più conferme nei rispettivi campi.

La relatività di Einstein trova evidenze ancora dopo cent’anni dalla sua formulazione facendo ottenere premi Nobel, nel mentre la quantistica ha sviluppato dagli anni ’60 il Modello Standard[1] che predica l’esistenza di una miriade di particelle sempre più piccole.

Tale modello lascia diversi punti interrogativi e non può essere considerato una teoria del tutto, ma sono molteplici le evidenze empiriche delle sue predizioni: la parte più nota è sicuramente la suddivisione del mondo nelle forze fondamentali[2].

Esse mediano le interazioni tra le particelle costitutive della materia, tramite altre grandezze che ne fanno da collegamento: per esempio l’elettromagnetismo ha il fotone come proprio mediatore.
Un articolo pubblicato su Nature[3] il 9 Dicembre ci dice che stiamo andando nella direzione giusta, almeno per quanto riguarda l’interazione forte: non sono mai stati raggiunti risultati così precisi ed è stato sviluppato un nuovo metodo di indagine.

Per ottenere ciò si è chiesta una collaborazione di ALICE[4] (A Large Ion Collider Experiment) e LHC (Large Hadron Collider) di Ginevra: il primo funge da rivelatore degli ioni pesanti ottenibili alle energie prodotte dal famoso acceleratore, in modo da poterne esaminare le interazioni.

Il nuovo metodo

La teoria prevede l’esistenza una forza talmente forte da sopraffare l’elettromagnetismo e tenere unite particelle in uno spazio risicato: tale interazione è stimata valere 10³⁸ volte la gravità ed è mediata da una particella chiamata (scherzosamente, poi ufficialmente) gluone.

La materia, nel suo stato fondamentale, sarebbe formata da quark, i quali sono legati dalla forza forte a coppie (i mesoni) o terne (barioni): queste ultime contengono i comuni protoni e neutroni. Questi due gruppi insieme formano gli adroni. Una delle sfide chiave per la fisica nucleare odierna è comprendere l’effettiva interazione tra adroni con diverso contenuto di quark. I primi successi sono stati ottenuti utilizzando tecniche che risolvono la dinamica di quark e gluoni su reticoli spazio-temporali discreti[5].

I calcoli noti come cromodinamica quantistica del reticolo (QCD) forniscono previsioni affidabili solo per adroni contenenti quark pesanti, come gli iperoni, formati da uno o più quark strange. In passato, queste interazioni sono state studiate facendo collidere gli adroni tra loro in esperimenti di scattering, ma questi esperimenti sono difficili da eseguire con adroni instabili (cioè a rapido decadimento) come gli iperoni.

Nell’articolo si dimostra come le misurazioni delle correlazioni nello spazio della quantità di moto tra coppie di adroni (prodotte in collisioni ultrarelativistiche protone-protone) forniscano un metodo preciso con cui ottenere le informazioni mancanti sulle dinamiche di interazione tra qualsiasi coppia di adroni instabili.

La tecnica è chiamata femtoscopia perché consente l’indagine di scale spaziali vicine a 1 femtometro[6], ovvero le dimensioni di un adrone e il raggio d’azione della forza forte.

E l’astronomia?

Le conseguenze di tale metodo non riguardano esclusivamente il laboratorio, ma si pensa che tali condizioni possano verificarsi in astri di elevata densità ed energia, per esempio nelle stelle a neutroni. La materia ordinaria si palesa in una composizione di protoni e neutroni, ma tali particolari condizioni possono generare particelle esotiche come gli iperoni, contenenti quark up, down e strange.[7]

Queste stelle sono oggetti “piccoli”, con un diametro di poche decine di km, ma racchiudono la massa di un corpo come il Sole: un cucchiaino di materia pesa quanto 170 milioni di elefanti. Questo per dare l’ordine di grandezza delle condizioni a cui, in natura, si possono trovare le particelle generate in laboratorio per lo studio della forza forte.

Parola all’esperto

Per concludere, la traduzione di un virgolettato di un fisico italiano in forza al CERN.

“La precisa determinazione della forte interazione per tutti i tipi di iperoni era inaspettata”, afferma la fisica di ALICE Laura Fabbietti, professore presso l’Università Tecnica di Monaco. “Questo può essere spiegato da tre fattori: il fatto che l’LHC può produrre adroni con quark strange in abbondanza, la capacità della tecnica femtoscopica di sondare la natura a breve raggio della forte interazione e le eccellenti capacità del rivelatore ALICE di identificare le particelle e misurare la loro quantità di moto. ”

Per dettagli ulteriori rimando al seguente link.

Note:

[1] Modello Standard: informazioni specifiche e spiegazioni accessibili a tutti a questo link e questo link

[2] Forze fondamentali: Forza Forte, Forza Debole, Forza Elettromagnetica e Forza Gravitazionale

[3] Articolo di Nature: potrete trovare il suo abstract a questo link

[4] ALICE: una descrizione del rilevatore direttamente dal sito del CERN

[5] Reticolo Spazio-Tempo discreto: mette a confronto l’infinitamente grande e piccolo, un inciso a questo link

[6] Femtometro: 10^-15 metri

[7] Quark: si rimanda alla teoria del Modello Standard per ogni dettaglio, nota 1