Cosa rende la Forza forte così speciale?

Paul M. Sutter è un astrofisico presso l’Ohio State University, ospite di Ask a Spaceman e Space Radio, e autore di Your Place in the Universe. Sutter ha contribuito a questo articolo Space.com ‘ s Expert Voices: Op-Ed& Insights.

Tutte e quattro le forze conosciute della natura hanno il loro posto unico. Gravità, elettromagnetismo, nucleare debole, nucleare forte: ognuno governa qualche piccolo dominio della nostra vita. Mentre le nostre esperienze quotidiane sono dominate dalla gravità della Terra e dall’elettromagnetismo della luce e dei magneti frigo, anche le forze nucleari gemelle giocano un ruolo chiave — solo su scale molto, molto piccole.

Quanto piccolo? Immaginatevi mongolfiera fino a diventare la dimensione del sistema solare. Le tue mani nuotano attraverso la Nube di Oort stessa, i pianeti si annidano sopra il tuo ombelico. Sei così grande che i segnali elettrici impiegano settimane o addirittura mesi per fare il loro viaggio attraverso il tuo sistema nervoso, rendendo anche i gesti più semplici dolorosamente lenti.

Questa è la differenza tra la dimensione corrente (circa un paio di metri) e 10^15 metri.

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Ora, eseguilo al contrario. Immagina una scala così piccola che il tuo corpo attuale si senta vasto come il sistema solare. Una scala in cui i tuoi movimenti si muovono al ritmo più lento. Questa scala incredibilmente piccola è il femtometro:10 ^ -15 metri. E ‘ la scala del nucleo atomico.

Nel protone

Da quassù, si è tentati di pensare al protone come a una singola particella. Un guscio duro di carica positiva e di massa, in grado di rimbalzare e bussare facilmente come una palla da biliardo. Ma in realtà, un protone è fatto di tre particelle più piccole. Queste particelle hanno il nome deliziosamente eccentrico di quark. Ci sono un totale di sei tipi di quark in natura, ma per il nostro attento esame del protone dobbiamo solo preoccuparci di due di loro, chiamati quark su e giù.

Come ho detto, un protone è una tripletta di quark: due quark up e uno down quark. Questi quark si legano insieme come una squadra, e quella squadra legata è ciò che chiamiamo un protone.

Tranne, questo non dovrebbe avere alcun senso.

I due quark up hanno la stessa identica carica elettrica (perché sono esattamente lo stesso tipo di particella), quindi dovrebbero assolutamente odiarsi. Come fanno a rimanere così strettamente incollati?

E per di più, sappiamo dalla meccanica quantistica che due quark non possono condividere esattamente lo stesso stato — non puoi avere due dello stesso tipo legati insieme in questo modo. A quei due quark non dovrebbe essere permesso di coesistere insieme in quel modo. Eppure non solo si tollerano a vicenda, ma sembrano davvero godere della compagnia!

Che succede?

Un colore diverso

Nel 1950 e ’60, i fisici hanno cominciato a rendersi conto che il protone non è fondamentale — può essere suddiviso in parti più piccole. Così hanno fatto un sacco di esperimenti e sviluppato un sacco di teorie per rompere quel particolare dado. E si sono immediatamente imbattuti in a) l’esistenza di quark e b) gli enigmi sconcertanti sopra.

Qualcosa teneva insieme quei tre quark. Qualcosa di molto, molto forte. Una nuova forza della natura.

La forza forte.

La forza forte allora ipotizzata risolveva i problemi dei quark coesistenti con la semplice forza bruta. Oh, non ti piace stare insieme perche ‘ non puoi condividere lo stesso stato? Beh, peccato, la forza forte ti farà farlo comunque, e fornirà un modo per aggirare questo problema.

E ogni forza ha un punto di connessione. Gancio. Un modo per dire a quella forza quanto ne sei influenzato. Per la forza elettromagnetica è la carica elettrica. Per gravità è la massa. Per la forte forza nucleare, i fisici hanno dovuto inventare un nuovo gancio. Un modo per un quark di connettersi a un altro quark tramite quella forza. E i fisici hanno scelto la parola colore.

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Quindi se tu o una particella che conosci avete questa nuova proprietà chiamata colore, allora puoi sentire la forte forza nucleare. Il tuo colore può essere rosso, verde o blu (confusamente c’è anche anti-rosso, anti-verde e anti-blu, perché ovviamente la vita non è così semplice). Per costruire una particella come un protone, tutti i colori dei quark devono sommarsi al bianco. Quindi un quark viene assegnato per essere rosso, l’altro assegnato per essere verde e l’ultimo assegnato per essere blu. La particolare assegnazione del colore in realtà non ha importanza (e, infatti, i singoli quark cambiano costantemente colore), ciò che conta è che si sommino tutti al bianco e che la forza forte possa fare il suo lavoro.

Questa nuova proprietà del colore è ciò che consente ai quark di condividere uno stato all’interno di un protone. Con il colore, non ci sono due quark esattamente uguali – ora hanno colori diversi.

Super forza

Immagina di prendere due piccole pinze e afferrare due dei quark nel protone. Si lavora fuori, in modo da essere in grado di superare la forza della forte forza nucleare tenendoli insieme.

Ma ecco qualcosa di strano sulla forza forte: non diminuisce con la distanza. Altre forze, come la gravità e l’elettromagnetismo, lo fanno. Ma la forza forte rimane forte come sempre, non importa quanto distanti siano quei quark.

Quindi, mentre tiri su quei quark, devi continuare ad aggiungere sempre più energia per mantenere la separazione. Alla fine aggiungi così tanta energia che, essendo energia equivalente alla massa e tutto il resto, nuove particelle appaiono nel vuoto tra i quark. Nuove particelle come quar altri quark.

Questi nuovi quark trovano quasi immediatamente i loro amici appena separati e si legano insieme, gettando via tutto il tuo duro lavoro e il sudore in un singolo lampo di energia prima che la distanza tra loro sia ancora evidente. Quando pensi di aver separato i quark, ne hanno già trovati di nuovi a cui legarsi. Questo effetto è noto come confinamento di quark: La forza forte è in realtà così dannatamente forte che ci impedisce di vedere mai un quark in isolamento.

È un peccato che non vedremo mai qual è il suo colore.

Scopri di più ascoltando l’episodio ” Cosa rende la forza forte così forte?”sul podcast Ask A Spaceman, disponibile su iTunes e sul Web all’indirizzo http://www.askaspaceman.com. Grazie a Kayja N. e Ter B. per le domande che hanno portato a questo pezzo! Fai la tua domanda su Twitter usando # AskASpaceman o seguendo Paul @ PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter.

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