Illustrazione di quark e gluoni (IFJ PAN FOTO) - www.sciencecue.it
Gluoni e quark sono elementi che difficilmente sono difficili da “fotografare”, ma questa volta i ricercatori ci sono riusciti.
Immaginate un mondo invisibile, più piccolo di un atomo, dove le regole del gioco sono completamente diverse. È qui, nel regno dei quark e dei gluoni, che si nascondono i segreti della materia. Questo mondo è governato dalla forza forte, una forza potente che tiene uniti i protoni e i neutroni nel nucleo di ogni atomo.
I quark sono come i mattoncini fondamentali che compongono i protoni e i neutroni. Sono particelle piccolissime, con una carica elettrica frazionaria, e si presentano in sei “sapori”: up, down, charm, strange, top e bottom. Questi “sapori” sono come diverse varianti di quark, ognuna con la sua massa e le sue proprietà. I gluoni, invece, sono come la colla che tiene insieme i quark, le particelle che mediano la forza forte. Non hanno massa e non hanno carica elettrica, ma sono responsabili di un fenomeno chiamato “confinamento”, che impedisce ai quark di esistere liberamente.
Come si studia questo mondo invisibile? Attraverso acceleratori di particelle come il Large Hadron Collider (LHC) del CERN, i fisici possono far scontrare particelle ad altissime energie, creando condizioni simili a quelle del Big Bang. In questi scontri, i protoni si frantumano, liberando i quark e i gluoni che li compongono. Analizzando i detriti di queste collisioni, i fisici possono ricostruire le interazioni tra quark e gluoni, svelando i segreti della forza forte e del nucleo atomico.
Il nucleo atomico, quel minuscolo centro di energia che definisce l’identità di ogni atomo, ha sempre affascinato gli scienziati. Per decenni, il modello standard della fisica nucleare ha descritto il nucleo come un insieme di protoni e neutroni, i famosi nucleoni, tenuti insieme dalla forza forte. Ma la scoperta dei quark e dei gluoni, le particelle fondamentali che compongono i nucleoni, ha introdotto una nuova complessità. Il nucleo non è più un semplice ammasso di particelle, ma un intricato sistema di quark e gluoni in continua interazione.
Questa nuova visione ha aperto un mondo di possibilità, ma ha anche creato un dilemma. Le teorie che descrivono il comportamento dei nuclei a bassa energia, come quelle che governano le reazioni nucleari, sono basate sul modello dei nucleoni. Ma gli esperimenti ad alta energia, come quelli condotti al CERN, rivelano un mondo di quark e gluoni, complicando la nostra comprensione. Come possiamo conciliare queste due visioni del nucleo atomico? Come possiamo unificare il mondo dei nucleoni con il mondo dei quark e dei gluoni?
Finalmente, un nuovo modello, frutto di anni di ricerca e di un’intensa collaborazione tra scienziati di tutto il mondo, ha aperto la strada a una soluzione. Questo nuovo modello, basato su un’attenta analisi dei dati raccolti da esperimenti ad alta energia, ha permesso di unificare le descrizioni del nucleo atomico a bassa e alta energia.
La chiave di questo nuovo modello è l’introduzione di funzioni di distribuzione dei partoni migliorate. Queste funzioni descrivono la probabilità di trovare un quark o un gluone all’interno di un nucleo atomico, tenendo conto delle interazioni tra i nucleoni e delle correlazioni tra i quark e i gluoni. Questo lavoro ha portato a una scoperta sorprendente: i nuclei atomici non sono semplicemente un ammasso di nucleoni, ma contengono anche coppie di nucleoni strettamente legate. Queste coppie, principalmente formate da protoni e neutroni, svolgono un ruolo cruciale nel determinare la distribuzione dei quark e dei gluoni all’interno del nucleo. Le funzioni di distribuzione dei partoni migliorate hanno permesso di prevedere con maggiore accuratezza il comportamento dei nuclei atomici in una vasta gamma di energie.