Gluoni

Quark nei protoni e neutroni

Da decenni i fisici sanno che particelle chiamate “gluoni” mantengono integri i protoni e neutroni e di conseguenza l’universo.

Tuttavia i dettagli di come agiscono i gluoni sono ancora sorprendentemente misteriosi.
Ma cosa sono questi gluoni? E se in un certo senso tengono assieme l’intero universo, come fanno?

La prima risposta ce la possiamo dare guardando in noi stessi.
Il nostro corpo è materia ed è comporto di molecole organiche ed inorganiche, che a loro volta sono formati da atomi e gli atomi da altre particelle più piccole che legate tra loro compongono il contenuto del nucleo: i protoni e neutroni. Mentre i neutroni hanno carica nulla i protoni hanno carica positiva. Le particelle che li compongono sono i quark.
Ogni protone e ogni neutrone di un atomo contengono tre quark che in qualche modo sono tenuti insieme. C’è da dire che oltre a questi tre quark appaiono e scompaiono altre coppie di quark e ad altre particelle fantasma che emergono e scompaiono misteriosamente.

In sostanza il nostro corpo si mantiene compatto perché in qualche modo i quark sono uniti da una forza che i fisici chiamano “interazione forte” o ”forza nucleare forte”. (La forza nucleare forte fu originariamente ipotizzata da Ettore Majorana).

Ma questa forza resta comunque enigmatica.
L’interazione forte è una delle quattro forze fondamentali della natura, insieme alla gravità, elettromagnetismo e interazione debole.
Di queste quattro forze, l’interazione forte è di gran lunga la più intensa ma agisce solo su scale atomiche.

Se vi state domandando se ora vi faccio una lezione su questa forza vi sbagliate.
Quello che voglio dire per arrivare alla storia dei gluoni, è che questa forza agisce in modo sorprendente e al di fuori delle normali regole che governano l’attrazione tra i corpi.

Secondo la meccanica classica la distanza cui può estendersi l’effetto di una forza è inversamente proporzionale alla distanza delle masse. Ovvero si indebolisce con l’aumentare della distanza, ma ha una portata infinita. Un corpo sulla Terra risente di una lievissima attrazione da parte di un corpo sulla Luna, tanto per fare un esempio.
Invece la portata dell’interazione forte non si estende al di fuori dei nuclei degli atomi. E’ come se fosse una proprietà dovuta a qualcosa altro che risiede nei neutroni e nei protoni e tiene incollati i quark.
Quindi chi tiene assieme i quark?

Si capisce che l’interazione forte non è dovuta alla interazione tra le sole masse.
Per farla breve, la teoria corrente (Modello Standard) ci dice che in natura oltre alle particelle elementari, i quark, elettroni e neutrini, esistono delle particelle speciali che sono i principali responsabili delle quattro forze fondamentali. Vengono chiamate mediatori di forza.

Gluoni
I gluoni sono particelle, apparentemente prive di massa, che trasmettano la più intensa forza di tutte le forze e considerati i mediatori della forza nucleare forte.
La peculiarità dei gluoni e quindi delle interazioni forte è dovuta al fatto che sembra che attraggano i quark con tanta più intensità quando più si allontanano. I quark si attraggono in maniera anelastica a vicenda. Debolmente quando sono vicini, ma su distanze maggiori si attraggono maggiormente in quanto non si notano quark liberi.

Cosa significa che si attraggono in maniera anelastica?
Quark e gluoni 4Possiamo immaginare i quark come collegati da un elastico o da una molla. Quando i quark sono vicini l’elastico non esercita alcuna interazione e sui quark non agisce alcuna forza; ma quando si allontanano la tensione dell’elastico li trattiene.

Le cose in realtà sono più complicate.
L’azione elastica, ossia la interazione forte, esercitata dai gluoni è descritta dalla teoria cromodinamica quantistica dal punto di vista matematico (che tratteremo in altra occasione). Si ritiene che l’interazione forte è collegata ad una proprietà nota come “carica di colore”.

Sintetizzando al massimo possiamo dire che sia i quark che i gluoni sono dotati di una carica di colore (che non è altro il cambiamento di aspetto) ogni qual volta quark e gluoni interagiscono.
Non solo i quark si passano i gluoni tra loro per legarsi cambiando colore, ma anche gli stessi gluoni se ne scambiano.

I fisici pensano che proprio queste interazioni tra gluoni siano alla base del motivo per cui l’interazione forte diventa più debole da vicino, più intensa da lontano e essere assente al difuori dei neutroni e protoni come se fossero confinati nel loro interno.
I fisici pensano che proprio queste interazioni impegiscano che i quark dei protoni caricati positivamente e che tenderebbero a respingersi, vengono tenuti assieme.

APPROFONDIMENTI (leggeri)

Per quelli che sono arrivati fin qui e non sono scappati via aggiungiamo qualcos’altro di molto interessante, da leggere per capire meglio come funzionano le cose alle dimensioni sub-atomiche.
Quark e gluoni3Nell’imaginario classico di un atomo gli elettroni orbitano attorno a un nucleo di protoni e neutroni formati da tre quark ciascuno ed un numero imprecisato di gluoni.
E fin qui tutto va bene.

La Cromodinamica Quantistica (QCD) ci dice che il numero di quark e gluoni all’interno del protone può cambiare notevolmente in quantità variabile svolazzando in giro come farfalle, comparendo e scomparendo. Si formano anche coppie di quark e antiquark chiamati pioni ed altre particelle chiamte mesoni, anch’esse mediatrici della interazione forte, composti da un quark e antiquark.

Alcune simulazioni fanno ritenere che possano formarsi nuovi adroni esotici (particelle normalmente formate da quark) chiamate “glueball” (palle di colla) che contengono esclusivamente gluoni oppure particelle ibride composte da legami quark-antiquark-gluone. Ultimamente sono state scoperti tetraquark e pentaqurk, particelle con quattro e cinque quark. Le glueball non sono ancora state osservate.
Il risultato è una “schiuma quantica” di particelle che appaiono e scompaiono.

glueball pioni tetraquark

Ed ora attenzione perché state per scoprire il bello su questa storia dei misteriosi gluoni.

Succede che quando protoni e neutroni raggiungono velocità estreme i gluoni all’interno dei protoni si scindono in coppie di nuovi gluoni, ognuno con energia inferiore al genitore. I gluoni figli, a loro volta, ne generano altri, con energia ancora minore.
Secondo la QCD questo fenomeno potrebbe durare all’infinito, ma sappiamo che non è così.

gluoni 1

Se i gluoni continuassero a procreare altri gluoni come una macchinetta di popcorn i protoni scoppierebbero. In altre parole il protone diventerebbe instabile e collasserebbe. Di conseguenza l’intero universo.

Ed ecco che la natura ci mette una pezza.
Sembra che la natura imponga una specie di soglia massima quando i gluoni diventano molto numerosi all’interno dei protoni e cominciano a sovrapporsi.
E’ come se quando il numero dei gluoni aumenta qualcosa li faccia diminuire raggiungendo uno stato stazionario di scissione e ricombinazioni detto “saturazione” dei gluoni, il che riporta sotto controllo la macchina per il popcorn.

Plasma di quark e gluoni.
Fin qui abbiamo descritto il contenuto dei neutroni e protoni, cosa succede se i nuclei atomici collidono a velocità prossime a quella della luce?
Il contenitore dei neutroni e protoni va in frantumi. I quark e gluoni in essi confinati si liberano creando uno sciame di quark e gluoni che liberano a loro volta l’energia di legame sotto forma di un plasma.
Questo plasma è lo stato esotico della materia più calda mai creata sulla Terra simile alle condizioni dell’origine dell’universo.

Ok, io ho finito. Non è tutto, ma quasi.
Ora ne sapete abbastanza per avere una buona idea di ciò che avviene all’interno dei neutroni e protoni.

Il mio cane che ha letto tutto mi sembra compiaciuto quasi che mi voglia dire che stavolta anche la casalinga di Verona abbia capito.
Uhm!

(Mia elaborazione da una rivista di “Le Scienze”)

 

Informazioni su bruce

Ingegnere. Io sono responsabile di quello che dico, non di quello che capisci tu. (Massimo Troisi)
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36 risposte a Gluoni

  1. Rebecca Antolini ha detto:

    Ecco sono qui la Casalinga di Verona, credo non ci siamo forse dovrei farmi clonare e fare un piccolo splicing della mia DNA così finalmente sarei in grado a comprendere i tuoi discorsi scientifiche.. o forse mi manca solo qualche neutrone per comprendere .. 😀

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    • bruce ha detto:

      Ah ah ah. Sei forte Rebecca. Mi piaci.
      Come vedi ti sto rendendo famosa sul web.🙂
      Io credo che si tratti solo di applicazione. Magari stampato e letto con calma le cose cambiano. Tuttavia ci deve essere una buona dose di pre-disposizione a comprendere. Poi vedrai che in fin dei conti non è così complicato.
      Buona giornata.

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      • Rebecca Antolini ha detto:

        Sai non so niente di Glueball, ma potrei sfidarti nel Pinball (flipper per farsi intendere) … A volte quando leggo un post da te sento un entusiasmo a leggere ma ultimamente … sembra che tu non scrivi più con il cuore.. forse l’età e la stagione …

        meglio noi due facciamo una passeggiata con i nostri cani forse fra di loro c’è pre-disposizione a comprendere … ah ah ah lo so che sono forte .. piace anche a me … Bussi❤

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        • Rebecca Antolini ha detto:

          dimenticavo😀
          no no non ci siamo tu non mi rendi famosa nel Web
          .. ma ben si sono IO che ti rendo famoso nel web.. visto che le persone che mi seguono vengono anche da te😀

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          • bruce ha detto:

            Non so cosa ti prende. Ma va bene lo stesso.
            Mi va bene anche che i tuoi lettori vengono da me, forse loro trovano qualcosa di più interessante e capiscono qualcosa.
            Ciao cara e ti auguro una buona giornata che sembra ti sia cominciata maluccio.

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          • Rebecca Antolini ha detto:

            tu sei come una ragazza di 14 anni … permaloso … con te si deve stare attenti cosa si scrive… pazienza … anche a te una buona giornata…😉

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        • bruce ha detto:

          “… … sembra che tu non scrivi più con il cuore.. forse l’età e la stagione … ”

          Non capisco dove vuoi arrivare (o forse l’ho capito troppo bene).
          Un articolo scientifico si scrive con la testa e con la cultura, con nient’altro e a qualsiasi età.
          Ciao

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          • Rebecca Antolini ha detto:

            .. ho capito con te non si po’ scherzare .. lo prendi personale😦

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          • bruce ha detto:

            Eccomi di ritorno da una bella mattinata divertente con il nipotino.
            Certo che te hai un modo tutto tuo di scherzare difficile da interpretare che un permaloso ragazzino 14enne anche se in avanzato stato di maturazione alle volte non è in grado di comprendere una ultra 50enne che non lo è ancora. 🙂 Ovviamante scherzo anch’io.🙂
            Ciao e buon pranzo.

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    • MARGHIAN ha detto:

      Coraggio Rebe’, la casalinga di Torino (che come sai e’ mia sorella..🙂 )-sa appena cosa e’ l’atomo. Gliel’ho spiegato qualche anno fa, e le mie spiegazioni sono facili da capire, è la mia fisica di terza media – e di un anno alle professionali, capirai🙂 . Lei ha fatto la 5a elementare, e non usa internet, e queste cosette non le interessano più di tanto. Ma in altre cose- “le cose della vita”, dice lei- va forte. Bussy.

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      • Rebecca Antolini ha detto:

        La intelligenza non si misura della laurea, e la tua sorella la casalinga di Torino è sicuramente una donna in gamba😉 Bussi caro Marghian😉

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        • bruce ha detto:

          “…. La intelligenza non si misura della laurea …”
          Concordo. Ci sono laureati e laureati.
          Ma c’è differenza anche tra i non laureati. Da dove si capisce? Da quello che scrivono.
          Alcuni mostrano intelligenza, altri mostrano tutti i limiti della loro intelligenza. E’ la legge della distribuzione a caso della intelligenza. Alcuni ce l’hanno e la affinano con la laurea, altri non la affineranno mai con o senza la laurea. Conosco molti casi.

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          • Rebecca Antolini ha detto:

            per il fatto di credo di essere abbastanza intelligente, ti auguro oggi soltanto una buona domenica😉

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          • bruce ha detto:

            Sono appena uscito con Bleff che non pioveva e sono stato sorpreso poi da una pioggia improvvisa, ma oramai era tardi, bagnato per bagnato tanto valeva restare fuori. Buona domenica anche a te.

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          • Rebecca Antolini ha detto:

            Io sono tornato a casa 30 min fa anche qui ha iniziato a piovere… almeno così c’è silenzio la gente rimane in casa e non rompe😀

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          • MARGHIAN ha detto:

            “..La intelligenza non si misura con la laura..”. Concordo, anche io, e vedo la cosa come diceva un geometra mio istruttore alle professionali. “Chi e’ tonto, con la laura e’ un tonto con la patente Ragazzi..- e chi e’ intelligente, con la laurea e’ un intelligente con la patente, ciao🙂

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    • MARGHIAN ha detto:

      C’e’ un comento per te, Rebe’. WP me lo ha messo dove ha voluto…🙂

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  2. benez256 ha detto:

    Gran bel pezzo, è bello trovare ogni mattina un bell’articolo di fisica “pesa” che pungoli la mia enorme passione per la materia. Complimenti!

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  3. gabriarte ha detto:

    l’ho rileggierò con più calma ci vuole molta concentrazione per questi articoli avevo letto qualche giorno fa di una nuova scoperta sulle forze pare che che siano cinque ciao a presto

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    • bruce ha detto:

      Ho letto anch’io questa notizia. Sto aspettando conferme.
      Infatti ultimamente sono state proposte nuove forze per colmare alcune lacune delle attuali teorie, ma non ci sono evidenze sperimentali. Per ora.
      Oltre alla concentrazione io credo che vada letto pezzo pezzo e passare oltre solo dopo che si è capito. Io facevo così all’università quando tutto era nuovo da conoscere e imparare. Anche se mi rendo conto che non stiamo all’università.
      Un caro saluto.

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      • gabriarte ha detto:

        vero Silvano io faccio come all’università ma la prendo con comodo quando sono meno stanca non si hanno più gli anni, non che mi senta vecchia ma inizio a far fatica e poi ho i miei uomini che quando mi vedono seduta e concentrata chiamano,hanno sempre necessità di qualcosa a presto Silvano ciao e grazie

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  4. gabriarte ha detto:

    scusa ho fatto un errore ho scritto l’ho con h ciao

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  5. enricogarrou ha detto:

    Perfetto. Una lezione comprensibile. Un abbraccio Silvano

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    • bruce ha detto:

      Grazie Enrico.
      Attribuisco a questo articolo una importanza estrema perchè ci spiega perchè il nostro corpo è tenuto insieme, perchè l’universo è tenuto insieme senza ricorrere a teorie teologiche.
      Non tutto è stato chiarito ma una parziale risposta è data dopo secoli e secoli durante i quali tutti noi e non solo gli scienziati ci siamo posti questa domanda.
      Un affettuoso saluto.

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  6. MARGHIAN ha detto:

    Ciao Bruce. Trovo il post davvero piacevole e soprattutto interessante. Come tutte le cose che piacciono, prendendo la metafora della cucina, “ne vuoi ancora” 🙂 , infatti e’ la terza volta che lo leggo. So di questa specie di “schiuma quantistica”, il continuo zampillare di particelle, antiparticelle, con e senza massa; a tale proposito come sai si parla di “energia del vuoto”, che poi vuoto non e’. Addirittura questo accade anche all’interno dei protoni (e dei neutroni, chiaramente). Mi piacque una espressione colorita di Zichichi, “in un singolo protone e’ presente tutto l’universo”. Aveva esagerato? Non aveva esagerato? Dicono che l’universo sia un ologramma….Comunque, i protoni ed i neutroni sono tutt’altro che le palline rosse e blu come venivano o meglio vengono disegnate nei libri di scuola. Li’ dentro c’e’ traffico, eccome
    Ah, sapete che avevo intuito, seppure solo a livello filosofico, i quark e i gluoni? Un pomeriggio mi trovai a passeggiare da solo in pineta (i miei, nel 1978 avevano preso in affitto una casetta al mare per il mese di agosto, per quel mese avevo trovato lavoro temporaneo al comune da pulire la pineta e la spiaggia..).., e mi lasciai andare a questa riflessione: “i protoni ed i neutroni, forse non sono proprio sferici e indivisibili come li disegnano; e’ possibile che un protone sia fatto di due, o tre particelle più piccole, e magari queste non sono attaccate ma distanziate e tenute insieme da qualche forza che fa da colla…”. Si’, pensai proprio “colla”. Molti anni dopo sentii parlare per la prima volta dei quark e dei gluoni, “glue…” immaginate la mia contentezza🙂 Ciao.

    Marghian

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    • bruce ha detto:

      Ciao marghian, grazie dei complimenti.
      A dire il vero era da un po’ di tempo che volevo scrivere qualcosa sui gluoni, ma non avevo le idee chiare e rischiavo di ficcarmi in un articolo anonimo. Poi ho incontrato un vecchio articoli del 2013 della rivista Le Scienze che mi ha illuminato ed aperto gli occhi. Tutto mi è apparso più chiaro e l’ho voluto condividere facendo un riassunto a modo mio (l’originale è molto più complicato, te lo assicuro) per coloro che amano questi argomenti di fisica nucleare.
      Ora se lo hai capito tu che dici di avere fatto solo un anno delle superiori, allora lo possono capire anche i “non” laureati e le casalinghe (tranne le eccezioni)🙂 E questo mi fa piacere.
      Dolce notte.

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  7. MARGHIAN ha detto:

    Ciao Bruce. Dopo le medie ho fatto due corsi professionali di un anno ciascuno, che io ho equiparato grosso modo ad un anno delle superiori, grosso modo perché di matematica, fisica eccetera come sai vengono riprese cose fatte alle medie e sostanzialmente si resta nell’ambito delle quattro operazioni. “Le Scienze”, e’ vero, da tempo non leggo questa rivista (sto leggendo poco e niente, in realta’, e chi ha tempo?)
    Gia’, “tranne le dovute eccezioni”🙂 . C’e da dire pero’ che la casalinga di Torino non si interessa di queste cose (quella di Verona almeno, ci prova….), se le piacessero un poco magari ci capirebbe qualcosa. Dolce nottina..

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    • bruce ha detto:

      Devo essere sincero, ho sempre ritenuto la tua cultura più vasta di quella fornita dalla istruzione obbligatoria. Era la mia impressione fin da quando i nostri commenti si sono incrociati e credo per merito di Semprevento, te la ricordi?
      Sono abbonato alle ‘Le Scienze’ oramai da anni e questo mi da anche diritto di accedere sul loro sito agli articoli riservati solo agli abbonati che di solito sono quelli un po’ più complessi.
      Ho appena finito di scrivere un articolo dove ci ho messo dentro qualche nozioncina tanto per rendere la pietanza più gustosa che dovrebbe essere gradita a chi piace la buona cucina🙂

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      • MARGHIAN ha detto:

        Ciao Bruce. Adesso sono io a ringraziarti dei complimenti🙂
        Si’, , mi ricordo benissimo, di semprevento. Non ho piu’ saputo nulla di lei, anche lei mi pare che è di quelle che si sono perse per strada- e spero solo in quella dei blog…-. Ogni tanto mi capita di apre il suo blog, ma mi pare sia fermo a parecchio tempo fa.
        Le mie letture scientifiche, adesso, si limitano a qualche pagina web, comprese le tue chiaramente. A proposito, aspetto la pubblicazione del nuovo articolo, che sicuramente mi gustero’. Ciao.

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        • bruce ha detto:

          Ho pubblicato un articolo breve breve di transizione, e cosa insolita l’ha capito anche la nostra amica di Verona. Quello più impegnativo me lo riservo per lunedì prossimo, così hai una intera settimana per … digerirlo🙂
          Dolce notte.

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          • MARGHIAN ha detto:

            Piuttosto, restando nella metafora della cucina, la questione sta nel trovare il tempo di mangiarlo (leggerlo), ma lo farò appena possibile. Ora mi leggo l’articolo di transizione -l’antipasto🙂 -. Dolce notte anche a te, ciao.

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