La Fisica delle particelle elementari: IL MASCHERAMENTO

La collisione registrata al PETRA è un esempio della struttura a tre getti di molte collisioni con annichilazioni elettrone-positrone, avanzata come prova dell'esistenza di gluoni.
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Nella QCD il comportamento della forza forte rappresenta l’effetto netto della schermatura e del mascheramento. Le equazioni della QCD prevedono un comportamento in accordo con quello paradossale osservato nei quark: sono sia permanentemente confinati sia asintoticamente liberi. Si è calcolato che l’interazione forte diventa straordinariamente forte a distanze apprezzabili, con conseguente confinamento dei quark, mentre si indebolisce e libera i quark a distanza molto piccola. All’interno di questo vuoto polarizzato lo stesso quark continua però a emettere e a riassorbire gluoni, cambiando quindi il proprio colore. I gluoni con carica di colore si propagano a distanze apprezzabili. In realtà essi distribuiscono la carica di colore nello spazio mascherando in tal modo il quark che è la sorgente della carica. Quanto più piccola è una arbitraria regione di spazio centrata sul quark, tanto minore sarà la quantità di carica di colore del quark in essa contenuta. La carica di colore avvertita da un quark di un altro colore diminuirà quindi mentre il secondo quark si avvicina al primo. La carica di colore si rivelerà in tutta la sua totalità solo a grande distanza.

Nell’ambito delle brevi distanze analizzato nelle collisioni ad alta energia, le interazioni forti sono talmente indebolite da poter essere descritte con i metodi messi a punto nel contesto della QED per la molto più debole interazione elettromagnetica. Si può pertanto dare alla QCD una parte della stessa precisione che caratterizza la QED. Per esempio, è un’interazione forte la produzione di getti di adroni da parte di un quark e di un antiquark prodotti in un’annichilazione elettrone-positrone. La QCD prevede che, se l’energia della collisione è sufficientemente elevata, il quark e l’antiquark che si muovono in versi opposti possono generare non due ma tre getti di adroni. Una delle particelle irradia un gluone, che si muove in una terza direzione e si evolve poi anch’esso in adroni dando origine a un terzo getto distinto – un fatto che si osserva effettivamente e comunemente nelle collisioni ad alta energia.

I tre getti avanzano lungo traiettorie fissate dai quark e dai gluoni muovendosi entro uno spazio estremamente limitato, inferiore a 10-13 centimetri. La coppia quark-antiquark non può procedere in forma di particelle isolate oltre quella distanza, che è il limite della libertà asintotica. Tuttavia, il confinamento dei quark e delle loro interazioni non è assoluto. Pur essendo un adrone incolore nel complesso, i suoi quark sono sensibili alle singole cariche di colore dei quark degli adroni contigui. L’interazione, debole se confrontata con le forze di colore all’interno degli adroni, produce la forza di legame che tiene uniti protoni e neutroni nei nuclei.

Pare probabile, inoltre, che quando la materia adronica viene compressa e riscaldata a temperature estreme, gli adroni perdano la loro identità individuale. Le bolle di adroni dell’immagine usata in precedenza si sovrappongono e si fondono, lasciando probabilmente liberi i loro quark e i gluoni costituenti di spingersi a distanze maggiori. Lo stato risultante della materia, chiamato plasma di quark e gluoni, può esistere nei nuclei di supernove in fase di collasso e in stelle di neutroni. Un discreto numero di ricercatori sta cercando oggi la possibilità di creare in laboratorio un plasma di quark e gluoni mediante collisioni di nuclei pesanti ad altissima energia.

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