I quark in realtà non hanno colori

A livello fondamentale, la realtà è determinata solo da due proprietà del nostro Universo: i quanti che compongono tutto ciò che esiste e le interazioni che avvengono tra di loro. Mentre le regole che governano tutto questo potrebbero apparire complicate, il concetto è estremamente semplice. L’Universo è costituito da pezzi discreti di energia che sono legati in particelle quantistiche con proprietà specifiche, e quelle particelle interagiscono tra loro secondo le leggi della fisica che sono alla base della nostra realtà.

Alcune di queste proprietà quantistiche governano se e come una particella interagirà sotto una certa forza. Tutto ha energia, e quindi tutto sperimenta la gravità. Solo le particelle con i giusti tipi di cariche sperimentano le altre forze, tuttavia, poiché tali cariche sono necessarie per gli accoppiamenti. Nel caso della forza nucleare forte, le particelle hanno bisogno di una carica di colore per interagire. Solo, i quark in realtà non hanno colori. Ecco cosa sta succedendo invece.

Anche se potremmo non capire tutto di questa realtà, abbiamo scoperto tutte le particelle del Modello Standard e la natura delle quattro forze fondamentali — gravità, elettromagnetismo, forza nucleare debole e forza nucleare forte — che governano le loro interazioni. Ma non ogni particella sperimenta ogni interazione; è necessario il giusto tipo di carica per questo.

Delle quattro forze fondamentali, ogni particella ha un’energia intrinseca ad essa, anche particelle senza massa come i fotoni. Finché hai energia, provi la forza gravitazionale. Inoltre, c’è solo un tipo di carica gravitazionale: energia positiva (o massa). Per questo motivo, la forza gravitazionale è sempre attraente e si verifica tra tutto ciò che esiste nell’Universo.

L’elettromagnetismo è un po ‘ più complicato. Invece di un tipo di carica fondamentale, ce ne sono due: cariche elettriche positive e negative. Quando le cariche (positive e positive o negative e negative) interagiscono, si respingono, mentre quando le cariche opposte (positive e negative) interagiscono, si attraggono.

Questo offre un’eccitante possibilità che la gravità non lo fa: la capacità di avere uno stato legato che non esercita una forza netta su un oggetto esterno, caricato separatamente. Quando quantità uguali di cariche positive e negative si legano insieme in un unico sistema, si ottiene un oggetto neutro: uno senza carica netta ad esso. Le tariffe gratuite esercitano forze attraenti e/o repulsive, ma i sistemi non caricati non lo fanno. Questa è la più grande differenza tra gravitazione ed elettromagnetismo: la capacità di avere sistemi neutri composti da cariche elettriche diverse da zero.

Se dovessimo immaginare queste due forze fianco a fianco, potresti pensare all’elettromagnetismo come ad avere due direzioni, mentre la gravitazione ha solo una sola direzione. Le cariche elettriche possono essere positive o negative e le varie combinazioni di positivo-positivo, positivo-negativo, negativo-positivo e negativo-negativo consentono sia l’attrazione che la repulsione. La gravitazione, d’altra parte, ha solo un tipo di carica, e quindi solo un tipo di forza: attrazione.

Anche se ci sono due tipi di carica elettrica, ci vuole solo una particella per prendersi cura dell’azione attraente e repulsiva dell’elettromagnetismo: il fotone. La forza elettromagnetica ha una struttura relativamente semplice – due cariche, dove quelle simili si respingono e gli opposti si attraggono-e una singola particella, il fotone, può spiegare sia gli effetti elettrici che magnetici. In teoria, una singola particella, il gravitone, potrebbe fare la stessa cosa per la gravitazione.

Ma poi, su un piano completamente diverso, c’è la forza forte. È simile sia alla gravità che all’elettromagnetismo, nel senso che c’è un nuovo tipo di carica e nuove possibilità per una forza ad essa associata.

Se si pensa a un nucleo atomico, è necessario riconoscere immediatamente che ci deve essere una forza aggiuntiva più forte della forza elettrica, altrimenti il nucleo, fatto di protoni e neutroni, volerebbe a pezzi a causa della repulsione elettrica. La forza nucleare forte dal nome creativo è la parte responsabile, poiché i costituenti di protoni e neutroni, i quark, hanno sia cariche elettriche che un nuovo tipo di carica: carica a colori.

Contrariamente a quanto ci si potrebbe aspettare, però, non c’è nessun colore coinvolto a tutti. La ragione per cui la chiamiamo carica di colore è perché invece di un tipo di carica fondamentale e attraente (come la gravità), o due tipi opposti di carica fondamentale (positiva e negativa, come l’elettromagnetismo), la forza forte è governata da tre tipi fondamentali di carica, e obbediscono a regole molto diverse rispetto alle altre forze più familiari.

Per le cariche elettriche, una carica positiva può essere annullata da una carica uguale e opposta-una carica negativa-della stessa grandezza. Ma per le spese di colore, hai tre tipi fondamentali di carica. Per annullare una singola carica di colore di un tipo, è necessario uno di ciascuno dei secondi e terzi tipi. La combinazione di numeri uguali di tutti e tre i tipi si traduce in una combinazione che chiamiamo “incolore”, e incolore è l’unica combinazione di particelle composite che è stabile.

Questo funziona indipendentemente per quark, che hanno una carica di colore positiva, e antiquark, che hanno una carica di colore negativo. Se immagini una ruota dei colori, potresti mettere rosso, verde e blu in tre posizioni equidistanti, come un triangolo equilatero. Ma tra rosso e verde sarebbe giallo; tra verde e blu sarebbe ciano; tra rosso e blu sarebbe magenta.

Queste cariche di colore intermedie corrispondono ai colori delle antiparticelle: gli anticolori. Ciano è lo stesso come anti-rosso; magenta è lo stesso come anti-verde; giallo è lo stesso come anti-blu. Così come si potrebbero aggiungere tre quark con i colori rosso, verde e blu per creare una combinazione incolore (come un protone), si potrebbero aggiungere tre antiquark con i colori ciano, magenta e giallo per creare una combinazione incolore (come un antiprotone).

Se sai qualcosa sul colore, potresti iniziare a pensare ad altri modi per generare una combinazione incolore. Se tre colori diversi o tre diversi anticolori potrebbero funzionare, forse la giusta combinazione colore-anticolor potrebbe portarti lì?

In effetti, può. Si potrebbe mescolare insieme la giusta combinazione di un quark e un antiquark per produrre una particella composita incolore, noto come mesone. Questo funziona, perché:

• rosso e ciano,
• verde e magenta,
• e blu e giallo

sono tutte combinazioni incolori. Finché si aggiunge fino a una carica netta incolore, le regole della forza forte ti permettono di esistere.

Questo potrebbe iniziare la tua mente su alcuni percorsi interessanti. Se rosso + verde + blu è una combinazione incolore, ma anche rosso + ciano è incolore, significa che verde + blu è lo stesso del ciano?

È assolutamente giusto. Significa che puoi avere un singolo quark (colorato) abbinato a uno dei seguenti:

• due quark aggiuntivi,
• un antiquark,
• tre quark aggiuntivi e un antiquark,
• un quark aggiuntivo e due antiquark,
• cinque quark aggiuntivi,

o qualsiasi altra combinazione che porta a un totale incolore. Quando senti parlare di particelle esotiche come tetraquarks (due quark e due antiquark) o pentaquarks (quattro quark e un antiquark), sappi che obbediscono a queste regole.

Ma il colore è solo un’analogia, e quell’analogia si romperà abbastanza rapidamente se inizi a guardarla in troppi dettagli. Ad esempio, il modo in cui funziona la forza forte è lo scambio di gluoni, che portano con sé una combinazione colore-anticolor. Se sei un quark blu ed emetti un gluone, potresti trasformarti in un quark rosso, il che significa che il gluone che hai emesso conteneva un ciano (anti-rosso) e una carica di colore blu, che ti consente di conservare il colore.

Si potrebbe pensare, quindi, con tre colori e tre anticolori, che ci sarebbero nove possibili tipi di gluoni che si potrebbero avere. Dopo tutto, se hai abbinato ciascuno di rosso, verde e blu con ciascuno di ciano, magenta e giallo, ci sono nove combinazioni possibili. Questa è una buona prima ipotesi, ed è quasi giusto.

A quanto pare, però, ci sono solo otto gluoni che esistono. Immagina di essere un quark rosso e di emettere un gluone rosso / magenta. Trasformerai il quark rosso in un quark verde, perché è così che conservi il colore. Quel gluone troverà quindi un quark verde, dove il magenta si annienterà con il verde e lascerà il colore rosso alle spalle. In questo modo, i colori vengono scambiati tra particelle colorate interagenti.

Questa linea di pensiero è solo un bene per sei dei gluoni, anche se:

• rosso/magenta,
• rosso/giallo,
• verde/ciano,
• verde/giallo,
• blu/ciano, e
• blu/magenta.

Quando ti imbatti nelle altre tre possibilità — rosso/ciano, verde/magenta e blu/giallo — c’è un problema: sono tutte incolori.

In fisica, ogni volta che si hanno particelle che hanno gli stessi numeri quantici, si mescolano insieme. Questi tre tipi di gluoni, essendo tutti incolori, assolutamente si mescolano insieme. I dettagli di come si mescolano sono piuttosto profondi e vanno oltre lo scopo di un articolo non tecnico, ma si finisce con due combinazioni che sono un mix disuguale dei tre diversi colori e anticolori, insieme a una combinazione che è un mix di tutte le coppie di colori/anticolori allo stesso modo.

Quest’ultimo è veramente incolore e non può interagire fisicamente con nessuna delle particelle o antiparticelle con cariche di colore. Pertanto, ci sono solo otto gluoni fisici. Gli scambi di gluoni tra quark (e / o antiquark), e di particelle incolori tra altre particelle incolori, è letteralmente ciò che lega i nuclei atomici insieme.

Possiamo chiamarla carica di colore, ma la forte forza nucleare obbedisce a regole uniche tra tutti i fenomeni dell’Universo. Mentre attribuiamo i colori ai quark, gli anticolori agli antiquark e le combinazioni colore-anticolor ai gluoni, è solo un’analogia limitata. In verità, nessuna delle particelle o antiparticelle ha affatto un colore, ma semplicemente obbedisce alle regole di un’interazione che ha tre tipi fondamentali di carica, e solo le combinazioni che non hanno carica netta sotto questo sistema possono esistere in natura.

Questa intricata interazione è l’unica forza conosciuta in grado di superare la forza elettromagnetica e mantenere due particelle di carica elettrica simile legate insieme in un’unica struttura stabile: il nucleo atomico. I quark in realtà non hanno colori, ma hanno cariche governate dalla forte interazione. Solo con queste proprietà uniche i mattoni della materia possono combinarsi per produrre l’Universo che abitiamo oggi.