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emmeciquadro135 dicembre 2004

Fisica: la libertà asintotica dei quark

La costruzione del Modello Standard delle particelle elementari èstata uno dei compiti più rilevanti della fisica della seconda metàdel Novecento. La comprensione del mondo delle particelle ele-mentari, e quindi la loro classificazione, è legata alla conoscenzadelle forze che agiscono a livello subatomico: l’interazione elettro-magnetica, l’interazione debole e l’interazione forte; a ciascuna diesse è associato un tipo di particelle, che definiscono le caratteri-stiche della forza, rispettivamente i fotoni, i deboloni, i gluoni. Particolarmente problematica è la descrizione dell’interazioneforte. Essa si esercita fra le particelle elementari denominatequark. Come la grandezza fisica legata alla forza gravitazionaleè la massa e quella legata all’interazione elettromagnetica è lacarica elettrica, così esiste anche una grandezza fisica legataall’interazione forte: la carica di colore. I quark possono averetre diversi «colori»: rosso, blu o verde. Per ogni quark (comeper tutte le particelle elementari) esiste un antiquark, che pos-siede gli anticolori: antirosso, antiverde, antiblu. Aggregati sta-bili di quark devono essere «bianchi», cioè devono possedereun colore e un anticolore, oppure tutti e tre i colori. Ciò vieneespresso dai fisici delle particelle con una frase quasi scherzo-sa: «la natura è bianca». Naturalmente il nome «colore» èassolutamente convenzionale, motivato forse solo dal fatto chese la natura deve essere «bianca» servono tre diverse carichedi colore, come nel mondo macroscopico per ottenere il biancoservono tre colori. La necessità di una denominazione conven-zionale (invece che colore avrebbe potuto benissimo essereodore, o qualsiasi altro termine) dipende dal fatto che la caricadi colore, a differenza della carica elettrica, non ha alcuna pos-sibilità di essere studiata a livello macroscopico, e rimane quin-di una caratteristica inaccessibile ai nostri sensi, confinata nelmondo delle particelle elementari.La forza fra i quark, mediata dai gluoni, è quindi legata alla caricadi colore. Per questo la teoria che studia le interazioni fra i quarkprende nome di Quantum ChromoDynamics (QCD). Particolarmente importanti sono le aggregazioni formate da trequark, di differenti colori, i protoni e i neutroni, costituenti del

I PREMI NOBEL PER LA SCIENZA 2004

David J.Gross (1941- )Nato a Washington, lavoraall ’Università di SantaBarbara, California (USA).

H. David Politzer (1949- )Cittadino americano, lavoraal Caltech di Pasadena(USA).

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nucleo atomico: la materia ordinaria (a parte gli elettroni) è quindicostituita dai quark. Tuttavia i quark non si possono studiaredirettamente, perché non esistono liberi: la forza che li legacresce con la distanza, come una forza elastica. Non è quindipossibile studiare direttamente le interazioni di un quark singo-lo. Questa difficoltà costituiva, all’inizio degli anni Settanta delNovecento, un ostacolo apparentemente insuperabile per laformulazione di una QCD verificabile sperimentalmente.A questo livello si situa il contributo dei tre premi Nobel di que-st’anno David J.Gross, David H. Politzer, Frank A. Wilczek. Indue articoli, pubblicati nel 1973, questi scienziati formulanodelle ipotesi e sviluppano una teoria, per cui l’interazionemediata dai gluoni si affievolisce quando la distanza fra i quarkè estremamente piccola: è il concetto di «libertà asintotica» deiquark. Libertà asintotica significa che la forza di interazione frai quark tende a zero al tendere a zero della loro distanza.È quindi possibile verificare sperimentalmente la teoria delleinterazioni tra singoli quark quando essi sono estremamentevicini, e quindi il contributo dei tre scienziati ha permesso lacostruzione di una QCD in grado di fare previsioni verificabili. Èstato però necessario lo sviluppo (negli anni Ottanta-Novanta) dipotenti acceleratori, perché la situazione di quark molto vicinirichiede altissime energie di interazione. La conferma sperimen-tale della QCD è stata alla fine ottenuta, e in particolare è stataverificata la previsione della libertà asintotica dei quark.

Il lavoro dei tre scienziatiha quindi costituito unimportante passo versoquello che sembra l’o-biettivo finale dei fisicidel le part icel le: unadescrizione unitaria dellequattro forze fondamen-tali dell’universo, quellache alcuni definiscono(secondo al t r i con uneccesso di ottimismo eforse un po’ di presun-zione) la «teor ia deltut to» che dovrebbecomprendere qualsiasifenomeno fisico, sia alivello macroscopico, siaa livello microscopico.

Lorenzo Mazzoni

Frank A. Wilczek (1951- )Nato a Queens (NY), lavoraal Dipartimento di Fisica delMIT a Cambridge (USA).