Fis. - Particella subatomica costituente gli
adroni che, a loro volta, si
suddividono nelle due categorie dei
mesoni e dei
barioni. Si
conoscono sei tipi distinti di
q.:
u, d, s, c, b, t. Ciascuna di
queste sei particelle è dotata di tre diverse repliche, caratterizzate da
una grandezza che prende il nome di
colore o
carica di colore; i
q. hanno spin 1/2 in unità
ħ, hanno carica elettrica
+2/3 o -1/3 in unità di carica del protone, e hanno numero barionico 1/3.
Poiché non sono mai stati osservati
q. liberi, si pensa che essi
siano confinati negli adroni da mutue forze di attrazione che crescono con la
distanza. ║
Modello a q. degli adroni: secondo la teoria del
filosofo greco Epicuro (e di altri scienziati dell'antichità) l'atomo
costituiva la più piccola parte della materia, indivisibile (dal greco
α privativo e
témno: divido): la fissione nucleare ha
dimostrato, invece, che anche l'atomo può essere diviso in una nuvola di
elettroni e in un nucleo formato da protoni e neutroni. Intorno alla metà
del XX sec., con la realizzazione di macchine acceleratrici che consentivano di
raggiungere energie sempre più elevate e di rivelatori sempre più
sofisticati, apparvero particelle elementari allora sconosciute ai fisici (gli
unici adroni allora noti erano il nucleone e il pione): inizialmente le
particelle strane, poi i vari stati eccitati degli adroni già noti. Si
iniziò allora a dubitare che la materia potesse essere composta da un
elevato numero di elementi di base, e a pensare che le particelle stesse non
fossero altro che manifestazioni differenti di un piccolo numero di elementi
veramente fondamentali; questo problema fu affrontato in modo indipendente a
partire dal 1961 da due fisici, M. Gell-Mann e Y. Ne'eman, che basarono il loro
approccio sulla teoria dei gruppi. Infatti, la legge di invarianza delle
interazioni forti rispetto alle rotazioni nello spazio dello spin isotopico, o
isospazio, può essere riformulata, in linguaggio algebrico, come legge di
invarianza rispetto alle trasformazioni del gruppo di Lie
SU(2) (gruppo
delle trasformazioni unitarie, unimodulari nello spazio a due dimensioni a
componenti complesse); la rappresentazione di tale gruppo di trasformazioni,
pertanto, fornisce una descrizione completa delle proprietà di tutti i
possibili multipletti di spin isotopico, intero e semintero. Inoltre, se si
trascurano, entro un certo limite, le differenze di massa tra gli adroni dotati
degli stessi valori di numero barionico, spin e parità, si ottengono
supermultipletti che possono essere descritti, in modo analogo a prima, dalle
rappresentazioni del gruppo di Lie
SU(3). Grazie a questo approccio,
Gell-Mann predisse l'esistenza della particella Ω
-,
dandone i valori della massa e dei numeri quantici; tale particella venne
osservata poco dopo, nel 1964, nel grande acceleratore di Brookhaven (Stati
Uniti), scoperta che provocò in tutto il mondo una vera e propria caccia
ai
q., caccia difficile poiché richiede l'impiego di
apparecchiature capaci di produrre delle collisioni di materia sufficientemente
forti per ottenerne la dissociazione (occorrono circa 200 Gev). Poiché
tutte le rappresentazioni di un gruppo di Lie possono essere costruite a partire
da un certo numero di rappresentazioni di minima dimensionalità (nel caso
di
SU(3), il valore minimo delle dimensioni è 3), Gell-Mann e
Zweig proposero indipendentemente, nel 1964, di attribuire un significato fisico
agli stati corrispondenti alle rappresentazioni di minima dimensionalità
di
SU(3): ipotizzarono quindi che tutti gli adroni fossero stati
aggregati di tre particelle fondamentali, e delle rispettive antiparticelle,
costruiti in modo da rispettare automaticamente la legge di invarianza rispetto
a
SU(3). I mattoni fondamentali furono chiamati
q. da Gell-Mann,
distinti, in base ai valori dei numeri quantici, in
u, d, s; per spiegare
alcune anomalie riscontrate sul piano teorico e le proprietà di nuove
particelle nel frattempo scoperte, si introdussero tre nuovi
q.: i
q.
c, b, t. Tali particelle, dette anche
q. pesanti in contrapposizione
ai
q. leggeri u, d, s, sono dotate di nuovi numeri quantici
di sapore, chiamati rispettivamente
charm (fascino),
beauty
(bellezza) o
bottomness,
truth (verità) o
topness.
Il numero di adroni classificabili con il modello a
q. aumentò
notevolmente; tuttavia, fu ben presto evidente che i
q. dovevano
possedere un altro numero quantico interno, detto
colore; poiché
questo nuovo grado di libertà non si manifestava a livello adronico, si
dovette supporre che ogni adrone fosse globalmente privo di colore. La teoria
che descrive le interazioni tra
q. prende il nome di
cromodinamica
quantistica, ed è una teoria di campo relativistica e quantistica con
interazioni locali; tale teoria è basata sull'idea che le cariche di
colore siano sorgenti di un campo di forze, il
campo gluonico, mediate da
otto
gluoni, con massa nulla, spin 1 e dotati di carica di colore. Come
è noto, l'interazione tra cariche elettriche a livello subatomico
può essere vista sia come una modifica della configurazione del campo
elettromagnetico nel vuoto, sia come lo scambio dei quanti elementari, i fotoni,
da parte delle particelle cariche; analogamente, le interazioni tra
q.
colorati sono generate dallo scambio di gluoni. A differenza dei fotoni,
tuttavia, i gluoni sono dotati di carica di colore, che permette loro di avere
interazioni mutue; inoltre, mentre esiste una sola carica elettrica di
riferimento, esistono tre cariche di colore fondamentali. Le possibili cariche
di un gluone possono essere collegate alle scelte di coppie dei colori
fondamentali: in termini di teoria dei gruppi, si può dire che i gluoni
sono associati ai generatori del gruppo di Lie SU(3), detto di colore, e sono
otto. La caratteristica dei gluoni di possedere una carica di colore ne
differenzia la dinamica rispetto a quella delle interazioni elettromagnetiche.
La proprietà più importante è quella del
confinamento delle cariche di colore: esse non possono propagarsi nello
spazio come quelle elettriche, ma sono costrette a unirsi ad altre cariche per
formare stati legati di carica complessiva nulla. Tali stati possono propagarsi
nello spazio, e costituiscono l'insieme delle particelle che possono avere
interazioni forti; fino a distanze dell'ordine di qualche fermi, l'interazione
dovuta alle cariche di colore, sebbene indebolita, è ancora abbastanza
potente da legare protoni e neutroni all'interno dei nuclei; a distanze ancora
maggiori essa scompare del tutto, così come a distanze molto piccole,
dell'ordine di decimi di fermi o meno. Tale proprietà viene chiamata
libertà asintotica. La conoscenza teorica attuale della forza di
interazione delle cariche di colore a distanze dell'ordine del fermi
(
distanza detta
di confinamento) è basata su simulazioni
numeriche: si è così ricavato che è necessaria una
quantità di energia finita per poter isolare le cariche di colore, e che
lo schermaggio dovuto ai gluoni dipende dalla temperatura. A temperature
dell'ordine di 10
18 K la materia adronica subisce una transizione di
fase, detta
di deconfinamento, nella quale le cariche di colore possono
liberamente propagarsi nella regione di spazio ad alta temperatura: i fisici
sperimentali cercano attualmente di riprodurre le condizioni necessarie alla
creazione di questo nuovo stato della materia adronica, detto
plasma di q. e
gluoni. Oltre alle interazioni di colore, i
q. sono soggetti anche
alle interazioni elettromagnetiche e deboli; è proprio dallo studio dei
processi di diffusione anelastica con alto trasferimento di energia e di
quantità di moto leptone-nucleone che si è ottenuta una conferma
sperimentale indiretta della struttura a
q. degli adroni.