La forza più potente nell’Universo è chiamata, giustamente, la forza forte. Non riusciamo mai a testimoniare il suo incredibile potere perché funziona solo su distanze subatomiche, dove lega insieme i quark all’interno di protoni e neutroni e unisce i nucleoni nei nuclei atomici.
Delle quattro forze fondamentali della natura, si tratta del fenomeno fisico più potente: è 100 trilioni di trilioni di trilioni di volte più forte della forza di gravità. È anche la più misteriosa. Nonostante sappiano approssimativamente come si confronta con le altre forze, gli scienziati ne ignorano l’esatto livello di potenza.
Le altre tre forze – nucleare debole (responsabile di parte della radioattività), elettromagnetica e gravità– sono misurate molto meglio.
La forza dell’elettromagnetismo, ad esempio, indicata dalla sua “costante di accoppiamento”, è stata misurata con la stessa precisione della distanza tra New York e Los Angeles, con un’approssimazione di pochi capelli. Eppure la costante di accoppiamento della forza forte, chiamata α s (“alpha s”), è di gran lunga la meno compresa di queste quantità. La precisione delle migliori misurazioni di α s è 100 milioni di volte peggiore di quella della misurazione elettromagnetica.
Incertezze sulla forza forte
ll livello di incertezza è noto solo nel dominio più semplice della teoria della forza forte, ad energie molto elevate coinvolte solo in alcuni degli eventi più rari ed estremi in natura. Alle energie inferiori rilevanti per il mondo che ci circonda, la forza forte guadagna il suo nome diventando veramente intensa, e le informazioni concrete sugli α in questo intervallo sono scarse. Fino a poco tempo fa nessuno aveva effettuato misurazioni sperimentali di α s su questa scala. Le previsioni teoriche sul suo valore si sono rivelate inutili, poiché coprivano l’intero intervallo da zero a infinito.
La forza forte è responsabile di mantenere unite le particelle subatomiche all’interno del nucleo atomico. Questa realtà è mediata dai gluoni, che sono particelle elementari che agiscono tra i quark, i costituenti fondamentali dei protoni e dei neutroni.
La forza forte ha diverse caratteristiche che la rendono unica:
1. Portata limitata: Contrariamente alla quella gravitazionale o elettromagnetica, la forza forte diminuisce rapidamente con la distanza. A distanze maggiori di circa 10^{-15} metri (nota come lunghezza di Planck), essa diventa trascurabile.
2. Confinamento dei quark: Gli effetti della forza forte diventano così intensi a distanze relativamente grandi che tali fermioni non possono mai esistere liberamente. Questo fenomeno è noto come confinamento dei quark.
3. Color charge: I quark portano una “carica di colore” che è analogo alla carica elettrica nella forza elettromagnetica. A differenza perà di quella elettrica, la carica di colore può essere rossa, verde o blu, e le particelle composte devono avere una carica complessiva di “bianco”. Questo è noto come confinamento del colore.
4. Forti interazioni: La forza forte è, come suggerisce il nome, incredibilmente potente a distanze ravvicinate. Questo è ciò che mantiene i quark insieme all’interno dei protoni e dei neutroni, nonostante le loro cariche di colore simili.
Gli esatti dettagli di come la forza forte emerga dalle interazioni tra i gluoni e i quark sono complessi e derivano dalla teoria della cromodinamica quantistica (QCD), che è una delle teorie fondamentali della fisica delle particelle. Essenzialmente, i gluoni trasportano la forza tra i quark attraverso gli scambi di particelle virtuali, creando un campo di forza che li tiene insieme all’interno dei protoni e dei neutroni.
La Terra Damnata
Non possiamo comprendere cosa sia la forza forte, senza tenere conto della Terra Damnata. Essa è un concetto che si riferisce ad una teoria avanzata da alcuni fisici teorici che suggerisce l’esistenza di un possibile stato della materia noto come “quark deconfinito” o “strana materia”.
Secondo questa teoria, in condizioni estreme di temperatura e pressione, come quelle che si possono trovare nel cuore di stelle di neutroni molto dense o nei primi istanti dopo il Big Bang, i quark possono essere liberi di muoversi anziché essere confinati all’interno dei protoni e dei neutroni.
La Terra Damnata è un termine che si riferisce all’idea che, se questa materia strana esistesse e fosse stabile, potrebbe essere presente all’interno di corpi celesti estremamente massicci, come stelle di neutroni. Si ipotizza che tali corpi celesti potrebbero avere un nucleo di materia strana, il che potrebbe portare a risultati straordinari, come la possibilità di esperimenti di fisica delle particelle su scala macroscopica.
La possibile soluzione al problema
Sfruttando le informazioni migliorate provenienti dagli approcci top-down, bottom-up e di simulazione, il gruppo ha aggiornato la sua analisi teorica. Gli scienziati hanno scoperto che, al di fuori di Terra Damnata, il loro accoppiamento e i dati di Deur concordano meglio dell’1%.
Inoltre, spostandosi su Terra Damnata, hanno scoperto che le complesse interazioni tra quark, che avrebbero potuto sconvolgere la connessione tra questi accoppiamenti, in gran parte si annullano tra loro a causa delle caratteristiche fisiche dei processi alla base dell’integrale di Bjorken.
Per la prima volta, disponiamo sia di dati convincenti che di calcoli di α che coprono l’intero intervallo di lunghezze, inclusa Terra Damnata, il territorio precedentemente irraggiungibile. La scoperta chiave è che man mano che la distanza aumenta, l’accoppiamento smette di crescere e la costante incostante diventa nuovamente costante. Questa scoperta ha profonde implicazioni.
Innanzitutto, conoscere α s a tutte le distanze è importante dal punto di vista pratico: i fisici ora possono prevedere analiticamente numerose quantità che prima erano fuori portata. La maggior parte dei fenomeni legati alla forza forte in natura, dalla struttura più profonda degli atomi dentro di noi al funzionamento interno delle stelle di neutroni, sono determinati dalla forza di α s. Poiché questo accoppiamento è dominato dal suo comportamento a lungo raggio, che ora sappiamo essere finito anziché infinito, abbiamo aperto un nuovo mondo di possibili calcoli.
