Quarks e gluoni: c'era una volta ...

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17/01/2014 13:39 - 09/02/2017 15:17 #122 da P. Strolin
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Quarks e gluoni: c'era una volta ...
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Per domande: autore o Domanda a un esperto
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Gli articoli del gruppo Storie di quarks nel programma globale di Saggi tematici sulla Fisica moderna sono volti a dare sinteticamente una visione unitaria di argomenti il cui legante concettuale è il trattare di “insiemi di quarks”. Il filo conduttore della loro sequenza è illustrato nel primo articolo Quarks nell’evoluzione dell’Universo e consiste nel seguire la linea temporale dell’evoluzione dell’Universo. Interazione forte , Simmetrie: protoni, neutroni, … quarks e Viaggio nei colori: quarks e gluoni sono da considerare propedeutici.
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Fig. 1. Il parafulmine Eiffel (3 giugno 1902)
Da "Tonnerre et éclairs", Ed. Flammarion (1906)
Immagine Wikipedia
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Questo articolo parla del primordiale “plasma di quarks e gluoni” e di come per studiarlo si cerca di riprodurlo in laboratorio tramite collisioni frontali di nuclei ad altissima energia.


Nella palestra dell’Atomo

Alleniamoci nella palestra dell'Atomo. Si parla di atomo perché alle energie messe in gioco nella vita corrente (le misuriamo in elettron-Volt, abbreviato in eV) esso si mantiene integro. Il processo di “ionizzazione”, comunque indotto, rimuove un elettrone e lascia uno ione. Se esasperiamo il processo di ionizzazione di un gas e rimuoviamo sistematicamente elettroni, giungiamo a un nuovo stato della materia atomica detto " plasma ". In esso ioni (nuclei se la ionizzazione è completa) ed elettroni sono liberi.

Nel Cosmo, la quasi totalità della materia nota è sotto forma di plasma: l'atomo non sopravvive alle temperature di Sole e stelle. Sulla Terra, vediamo un plasma nei fulmini . La ionizzazione è prodotta da elettroni e ioni accelerati dagli intensi campi elettrici associati alla scarica e crea un canale – una “autostrada” - conduttivo di corrente elettrica. L’emissione luminosa (fulmine e lampo) ci giunge per prima e proviene dalla diseccitazione o ricombinazione di elettroni atomici. Il forte aumento di temperatura e la conseguente rapida espansione generano un’onda urto che percepiamo come tuono.

Fisica con Giorgione

Il fenomeno fulmine affascina perché la sua improvvisa e stupefacente esplosione scuote le nostre sicurezze facendoci percepire, consciamente o inconsciamente, l’enorme energia latente nel cielo che ci potrebbe colpire e che in quel momento ci ha graziato. La Mitologia Greca nel suo linguaggio tocca sempre in profondità e associa il fulmine alla grande divinità Zeus . Il fulmine è stato miracolosamente captato in belle e singolari fotografie, come quella in figura 1. Ma rara è la pluralità espressiva della visione mediata da un artista come Zorzi da Castelfranco detto Giorgione (1477-1510) nella Tempesta (figura 2), con la calda bellezza del tonalismo cromatico che caratterizza la pittura veneta .
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Fig. 2a. Giorgione, La tempesta (1505-8)
Gallerie dell’Accademia, Venezia
Immagine F. Morante – Storia dell’Arte
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Fig 2b. Dettaglio di figura 2a
Immagine Wikipedia


Nella Tempesta il paesaggio assume piena autonomia figurativa, cessando di essere un elemento di sfondo e inglobando con armonia le figure umane. L’apparizione di un fenomeno fisico in vivo - il fulmine in una tempesta - lo allontana anche dalla staticità. Gli occhi dello scienziato sono indotti a vedervi lo sviluppo “in fieri” di un rapporto con la Natura che prelude alla dirompente novità della Scienza sperimentale nel secolo successivo. La mente corre anche ai fenomeni elettrici nell’atmosfera come strumento dello progresso scientifico settecentesco portato da Benjamin Franklin (1706-1790). Con la sua personalità multiforme, egli fu pioniere nella Scienza e nella nascita di una nuova realtà politica e sociale iniziata nell’America Settentrionale in un processo di superamento dello stato di colonia europea. Sua è l’invenzione del parafulmine , come seguito a studi sull’elettricità atmosferica condotti usando aquiloni .

L’intervento edilizio umano è parte del paesaggio mostrato nella Tempesta, senza essere invasivo o dissonante. La diretta presenza umana viene dalle tre enigmatiche figure umane, spazialmente disgiunte ma virtualmente collegate. Il loro esservi e la loro scelta hanno un significato indecifrabile ma netto, che induce sottilmente l’immaginazione a far pensare all’enigma della nostra stessa presenza al mondo. In perfetta consonanza con il paesaggio, le figure sono rappresentate con quella dolce e umana carnalità che troverà un continuum in Tiziano Vecellio (1488/90-1576), negli anni giovanili andato “a bottega” dal Giorgione come allievo e aiuto. Anche a questo ci ha portato il plasma come fenomeno fisico, in un discorso scientifico aperto al contesto umano, culturale e naturale.

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Fig. 3. Plasma di quarks e gluoni
(rappresentazione schematica)
Immagine Focus
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Plasma primordiale di quarks e gluoni

Secondo la moderna Cosmologia agli inizi dell'Universo vi furono istanti, e non i primissimi, nei quali i quarks erano liberi. Assieme ai quarks erano presenti anti-quarks in pari misura. Quarks e anti-quarks si palleggiavano continuamente gluoni , i mediatori dell' Interazione Forte . Secondo l’attuale concezione del vuoto quantistico-relativistico (vedi prossimo articolo), i gluoni possono generare coppie temporanee (in fisica si dice “virtuali”) quark-antiquark. Sono coppie che durano poco e si annichilano producendo un altro gluone, come se niente fosse stato. I gluoni hanno anche la tutta speciale proprietà (non la hanno i fotoni) di generare coppie di altri gluoni. Questa complessa fase (o stato) della materia è schematizzata in figura 3, ove i quarks e gli antiquarks sono rappresentati da palline colorate e i gluoni da molle nere. Questo è il primordiale “plasma di quarks e gluoni”, che nel diagramma di fase in figura 4 di Quarks nell’evoluzione dell’Universo è situato nella zona indicata come “early universe”. La denominazione di “plasma” proviene dall’analogia tra quarks liberi e ioni (nuclei liberati da elettroni).


Plasma di quarks e gluoni in laboratorio

Per confrontare con l’esperimento la nostra comprensione degli istanti iniziali dell'Universo, da circa venti anni i fisici affrontano l’avventura di riprodurre in laboratorio il plasma di quarks e gluoni. La metodologia sperimentale consiste nel fare collidere tra loro nuclei di massa elevata (ad esempio di Piombo) accelerati ad altissima energia, in modo da raggiungere "densità di energia" talmente elevate da essere comparabili a quelle esistenti al tempo del primordiale plasma di quarks e gluoni.

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Fig. 4. Contrazione di Lorentz
Immagine Ask a mathematician-physicist

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Fig. 5. Schema di collisione frontale tra nuclei
con formazione di plasma di quarks e gluoni
Immagine Wikipedia

Nel sistema di laboratorio, la contrazione di Lorentz schiaccia i nuclei lungo la direzione del moto di un fattore pari alla loro energia divisa per la massa a riposo (figura 4). La densità di energia aumenta con l’energia dei nuclei collidenti per un doppio motivo: aumento della loro energia e schiacciamento dello spazio in cui essa è concentrata. La figura 5 illustra in modo oniricamente schematico la formazione di plasma di quarks e gluoni in una collisione frontale tre due nuclei. La scelta di fare scontrare nuclei (piuttosto che protoni, come tecnicamente più semplice) moltiplica i nucleoni (protoni o neutroni) che interagiscono e quindi l’energia totale sviluppata nella collisione. Un’altissima energia è così concentrata in uno spazio estremamente ridotto.

Al collisionatore RHIC negli USA, sono state studiate collisioni tra nuclei di Oro all’energia di 100 miliardi di elettron-Volt (GeV) per nucleone. Densità di energia notevolmente maggiori sono state recentemente raggiunte al Large Hadron Collider ( LHC ) del CERN. A LHC avvengono collisioni frontali di nuclei di Piombo con energie di migliaia di GeV (TeV) per nucleone, decine di volte più alte che a RHIC. La massa del nucleone è circa un miliardo di elettron-Volt (GeV). Il fattore di contrazione di Lorentz vale quindi oltre 1000. Le collisioni sono osservate dagli esperimenti ALICE , ATLAS e CMS .
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Fig. 6. Una collisione tra nuclei di Piombo
Esperimento ALICE
Immagine CERN Courier
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Per dare un’idea della notevolissima complessità sperimentale, mostriamo in figura 6 la miriade di particelle prodotte in una collisione tra nuclei di Piombo ad altissima energia, vista nell’esperimento ALICE . Non riportiamo figure con LHC o gli impressionanti apparati sperimentali: sono note e facilmente accessibili tramite i collegamenti ipertestuali inseriti nel testo. Si può comunque immaginare che tanto ci voglia per riprodurre in laboratorio condizioni supposte esistere nei primi istanti dell’Universo.

Come si è detto, il plasma di quarks e gluoni ha un carattere molto complesso. I segnali della sua esistenza sperimentalmente osservabili sono altrettanto complessi da identificare in modo indubbio. In particolare, è attesa un’apparente ridotta produzione (in linguaggio tecnico “soppressione”) di specifiche particelle (o “getti” di particelle altamente collimati) prodotte nella collisione, a causa di loro re-interazioni o anormale riassorbimento prima di uscire "all'aperto" dallo stesso densissimo plasma.

Alcuni fenomeni attesi in caso di produzione di plasma di quarks e gluoni sono stati osservati dagli esperimenti ALICE , ATLAS e CMS . Essi confermano e vanno oltre i risultati precedentemente ottenuti al collisionatore RHIC .


Quando l'ambiente si raffredda

Con la successiva espansione e il conseguente raffreddamento dell’Universo, i quarks si aggregarono in protoni e neutroni. Tuttavia, i neutroni hanno massa leggermente superiore a quella del protone e sono quindi instabili per decadimento beta in protoni, quando liberi da un legame nucleare. Tramite i processi stellari e cosmici illustrati in Fusione nucleare furono poi generati i nuclei atomici e prese corpo la materia attorno a noi. L’antimateria è apparentemente scomparsa e questo è attribuibile a una fondamentale asimmetria di comportamento rispetto alla materia, illustrata in Asimmetrie: CP, tempo e antimateria scomparsa .

Protone & adroni e Nucleo atomico mostrano che l’aggregazione di quarks in protone e neutrone è tanto forte da dominare ogni altra forza all’interno del nucleo e permettere di considerare protone e neutrone (e non direttamente i quarks) come costituenti elementari dei nuclei. Questo giustifica - a posteriori – che convenzionalmente la Fisica Nucleare non parli di quarks e consideri che i nuclei siano aggregati di protoni e neutroni. Che questa metodologia sia ragionevole per i “normal nuclei” (vedi figura 4 di Quarks nell’evoluzione dell’Universo ) è dimostrato dal fatto che essa "funziona" per tutta una classe di fenomeni e applicazioni. Questo clivaggio disciplinare tra Fisica delle Particelle e Fisica Nucleare è solo contingente al metodo e non fondamentale. La Natura non lo ha "ordinato" per tutti i tempi e in tutte le circostanze.


Fasi eroiche

Nella primordiale “fase eroica” dell’Universo l’ambiente era troppo caldo per differenziazioni tra discipline strettamente contigue come Fisica delle Particelle e Fisica Nucleare. Il plasma di quarks e gluoni ricreato in laboratorio le fa ritrovare assieme, e anche in compagnia della Cosmologia. Viviamo ora anche noi una fase eroica. Ci sono voluti circa quindici miliardi di anni, ma il tempo è venuto.


Collegamenti

The particle adventure (anche in italiano )
Contemporary Physics Education Project (CPEP)
The ABC of Nuclear Science , Lawrence Berkeley Laboratory (USA)
Guide to the Nuclear Wallchart , Contemporary Physics Education Project (CPEP)
Phases of nuclear matter , Guide to the Nuclear Wallchart , Contemporary Physics Education Project (CPEP)


Paolo Strolin

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Professore Emerito di Fisica Sperimentale
Università di Napoli "Federico II"
Complesso Univ. Monte S. Angelo
Via Cintia - 80126 Napoli - Italy
Ultima modifica: 09/02/2017 15:17 da Paolo.

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