Il raggio della interazione forte

Questa è una domanda sulla fisica nucleare:

Leggendo l’Amaldi per i licei scientifici.blu vol. 3 a pg. 1297 trovo: “… il raggio di azione della forza elettromagnetica è grandissimo, addirittura infinito, se si prende alla lettera il principio di indeterminazione Dt = h/DE e vi introduce il valore DE = massa del mediatore = 0.” Mi chiedo perché ciò non è vero per la forza nucleare forte; visto che il gluone ha massa nulla il raggio d’azione di questa forza non dovrebbe essere infinito? Invece il raggio d’azione è molto piccolo, supera di poco i confini dei nucleoni.

Ecco la mia risposta:

La questione è piuttosto complessa, e non è possibile darne in poco spazio una trattazione esaustiva. Proverò a delineare i concetti fondamentali. Non è mia intenzione difendere un particolare libro di testo, ma discutere brevemente un aspetto delicato della fisica nucleare.

In primo luogo, l’interazione nucleare forte propriamente detta, cioè l’interazione che tiene legati i nucleoni all’interno del nucleo atomico, è una forza per così dire residuale, piuttosto che un’interazione fondamentale. L’interazione fondamentale è la forza di colore fra quark e gluoni, ed è propriamente questa che ha come mediatori i diversi gluoni. Come l’interazione elettromagnetica all’interno di una molecola ha un piccolo effetto residuale all’esterno della molecola, che dà luogo alle forze di van der Waals fra molecole, così l’interazione di colore fra quark ha un piccolo effetto residuale all’esterno del nucleone, che dà luogo alla forza forte. In questo senso, l’interazione nucleare forte è a corto raggio per lo stesso motivo per cui lo sono le forze di van der Waals.

Il problema più profondo è come mai non si osservi in nessuna situazione un gluone libero, all’esterno di un nucleone. Un gluone libero si propagherebbe appunto con un raggio di azione infinito.
Possiamo considerare l’assenza di gluoni liberi come un fatto sperimentale, che si accompagna al fatto che non si osservi mai neppure un quark libero. Quark e gluoni hanno una carica particolare, detta carica di colore. Tutte le combinazioni di quark e gluoni conosciute (in sostanza i nucleoni) sono cromaticamente neutre, proprio come atomi e molecole sono elettricamente neutri. Le sole particelle libere che si osservino sono, per così dire, incolori, cioè contengono combinazioni delle cariche di colore che si cancellano a vicenda.
La cromodinamica quantistica (la parte del Modello Standard delle interazioni fondamentali che rende conto dell’interazione di colore fra quark e gluoni) incorpora nel proprio quadro teorico questo fatto sperimentale, che quindi possiamo ritenere “spiegato”, cioè deducibile da principi più generali. Si tratta però di questioni troppo avanzate e astratte per essere discusse in questa sede. Rimando ad alcuni articoli di Wikipedia:
Color confinement
Asymptotic freedom
per una prima introduzione alle tematiche in gioco.

Per la lezione

Prosegui la lettura