Il plasma di quark e gluoni: l’Universo in laboratorio

5. APPROFONDIMENTO: Confinamento dei quark

percorso di Chiara Oppedisano

L’interazione forte agisce sui quark, particelle elementari che formano gli adroni, combinandosi o in aggregati di 3 quark (barioni) o di un quark e un anti-quark (mesoni). La forza forte agisce su una proprietà denominata dai fisici carica di colore, analoga alla carica elettrica per la forza elettromagnetica. La carica di colore (che non ha alcuna relazione con la luce visibile e i colori) esiste in 3 “varietà”: rosso, verde e blu. Gli anti-quark possiedono carica elettrica e carica di colore opposte, quindi l’anti-particella di un quark up (u) che ha carica elettrica positiva e, supponiamo, carica di colore rosso, sarà un anti-quark anti-up (u-bar) con carica elettrica negativa e carica di colore anti-rosso.
La particella che media l’interazione forte, il gluone, è anch’esso dotato di carica di colore, contrariamente al mediatore dell’interazione elettromagnetica, il fotone, che ha carica elettrica nulla. Quindi i gluoni, possedendo carica di colore, interagiscono sia con i quark che tra loro.
La combinazione dei quark è sempre tale per cui la carica di colore complessiva delle particelle adroniche è nulla. In natura dunque non si osservano quark liberi; si parla perciò di confinamento dei quark. Questo fatto è dovuto alla natura dell’interazione forte che aumenta al crescere della distanza tra i quark, mentre è pressoché nulla quando i quark si trovano molto vicini. Per piccole distanze dunque i quark si comportano quasi come particelle libere. Per la scoperta di questa proprietà, chiamata libertà asintotica, i fisici David Gross, David Politzer and Frank Wilczek hanno ricevuto il premio Nobel nel 2004.

fig8 colore cariche

Figura: I modi in cui le cariche di colore possono combinarsi per comporre un oggetto non colorato (o neutro) sono due: 3 cariche (blu, rosso e verde) oppure 1 carica di colore e la sua anti-carica. Nel primo caso si forma un barione, nel secondo un mesone.

 

Tabella: sommario delle principali differenze tra interazione elettromagnetica e interazione forte.

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