Gluoni

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?
Possiamo 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.
Nell’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.

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.

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”)

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