24ore, 6 ottobre 2004

 

Fisica, il Nobel premia i quark

Il riconoscimento a tre ricercatori Usa per gli studi sull'interazione forte

La scoperta ha permesso di fare chiarezza sul

comportamento delle particelle subatomiche.

 

(di Lara Ricci)

Sono tre fisici statunitensi, David Gross, David Politzer e Frank Wilczek i vincitori del premio Nobel per la fisica di quest'anno. Sullo sfondo, ancora una volta, il suggestivo sogno di Albert Einstein: la formulazione di un'unica teoria capace di descrivere tutte le forze che governano la natura, dalle galassie alle particelle subatomiche. Una teoria in grado di riunire in un unico disegno le quattro forze che danno forma all'universo: gravitazionale, elettromagnetica, nucleare debole e nucleare forte.

L'Accademia reale delle scienze svedese ha premiato i tre ricercatori «per la scoperta della libertà asintotica nella teoria dell'interazione forte (sinonimo della forza nucleare forte, la forza cioè che tiene assieme i quark, le particelle che compongono i protoni e i neutroni, che a loro volta costituiscono il nucleo dell'atomo, ndr)».

Nei primi anni Settanta i tre ricercatori fecero una scoperta che a prima vista poteva sembrare contraddittoria: più i quark sono vicini tra loro, più debole è la forza che li tiene uniti. Tanto che quando queste particelle sono tra loro vicinissime l'interazione è così debole che si comportano come se fossero "libere", non soggette ad alcuna forza (da qui il nome di libertà asintotica). Viceversa, la forza che tiene uniti i quark diventa tanto più forte quanto più i quark sono distanti. Un po' come accade con un elastico: più viene allungato, maggiore è la forza che tende a riportarlo nella posizione iniziale. La scoperta fu descritta nel 1973. Allora Gross aveva 32 anni. Oggi lavora all'Istituto di fisica teorica dell'università della California a Santa Barbara e presiede anche il comitato scientifico della Scuola internazionale superiore di studi avanzati, la Sissa di Trieste. Politzer, ora al Caltech (California institute of technology) di Pasadena, ne aveva 24. Wilczek, adesso professore al Mit (Massachusetts institute of technology) aveva due anni meno di Politzer.

La scoperta dei giovanissimi ricercatori portò alla formulazione di una teoria completamente nuova, la cromodinamica quantistica, che presenta delle analogie con l'elettrodinamica quantistica, la teoria che descrive la forza elettromagnetica. La cromodinamica quantistica ha trovato conferme sperimentali anche tramite gli esperimenti condotti con il Lep (Large electron-positron collider), acceleratore di particelle del Cern di Ginevra.

Questa teoria permise, per esempio, di spiegare come mai non era mai stato possibile creare, attraverso violenti urti tra particelle, alcun quark libero, anche se già negli anni Sessanta fu ipotizzato che i protoni e i neutroni fossero composti da quark. A causa dell'interazione forte, infatti, questi "mattoncini" che compongono protoni ed elettroni stanno sempre in coppia o in gruppi di tre e si possono trovare liberi, teoricamente, solo ad altissime energie. Ma la teoria prevede anche che, non appena liberi, i quark si riassocino subito ad altri quark e di fatto non sia possibile separarli (un po' come accade quando si taglia in due una calamita, i due poli magnetici si riformano subito).

La cromodinamica quantistica ha permesso di completare il cosiddetto Modello standard, che descrive con un'unica teoria tre tipi di interazioni tra le particelle che costituiscono la materia: la forza nucleare forte, debole e la forza elettromagnetica. Le interazioni fra particelle sono viste come scambi di particelle: i "quanti". Così, per esempio, i legami di tipo elettromagnetico (quelli che tengono gli elettroni vicini agli atomi) derivano da scambi di quanti chiamati fotoni. I quark invece si legherebbero tra loro scambiando delle particelle chiamate gluoni (dall'inglese «glue», colla). Vi sono diversi tipi di gluoni e, per differenziarli sono stati utilizzati i colori (da qui cromodinamica quantistica). A seconda del tipo di gluone con il quale interagisce, anche il quark definisce la sua proprietà "colore" (ovviamente tale proprietà non ha nulla a che vedere con i colori). Gli aggregati di quark che esistono in natura hanno un colore neutro. Per esempio, i tre quark che costituiscono il protone hanno diversi colori, tali che la loro sovrapposizione porti alla neutralità (bianco, il colore neutro).

Il Modello standard descrive i quark (che formano i costituenti del nucleo dell'atomo), i leptoni (come gli elettroni) e le particelle portatrici di forza. Queste particelle si uniscono e vanno a formare gli atomi, gli atomi a loro volta formano molecole che a loro volta vanno a costituire delle strutture e così tutto l'universo che conosciamo può essere, teoricamente, descritto. Oggi sono però ancora molti gli elementi da trovare perché questa formulazione possa essere esaustiva. Si cerca, per esempio, il bosone di Higgs, la particella mai rilevata a cui, secondo il Modello standard, sarebbe legata la proprietà della massa. Molte speranze, come dichiarato anche dallo stesso Gross, sono riposte nei nuovi grandi acceleratori di particelle, l'Lhc (il large hadron collider in costruzione al Cern) e nel suo successore, il Linear collider.

D'altra parte si cerca anche di dimostrare l'esistenza del gravitone (la particella che porta la forza gravitazionale) e delle onde gravitazionali, analoghe alle onde elettromagnetiche. Lo spostamento di una massa dovrebbe turbare il campo gravitazionale generando queste onde, così come lo spostamento di una carica elettrica va a modificare il campo elettrico e produce onde elettromagnetiche. Un po' come accade con un corpo che galleggia in un lago perfettamente fermo. Se lo mettiamo in movimento provoca una perturbazione, sotto forma di un onda che si propaga in tutto il lago. L'azione delle onde gravitazionali, per esempio dovute all'esplosione di una supernova, dovrebbe cambiare le distanze fra i corpi, anche se di quantità per noi incredibilmente piccole. E sono proprio questi spostamenti che alcuni esperimenti, fra cui Virgo, nei pressi di Pisa, stanno cercando di misurare. Einstein le ha previste, ma nessuno le ha ancora trovate. (24 Ore, 6 ottobre 2004)

Gross ha pubblicato con Di Renzo Editore L'universo affascinante - La futura rivoluzione nella fisica
Wilczek ha pubblicato con Di Renzo Editore La musica del vuoto