I segreti della 'forza forte' che tiene coesi i nuclei atomici

Gli opposti si attraggono e questo, almeno per l'elettromagnetismo, è vero e permette ai nuclei degli atomi, carichi positivamente, di tenersi stretti gli elettroni, carichi negativamente. Ma cosa tiene insieme i nucleoni, ovvero i protoni e i neutroni che costituiscono il nucleo? Vi siete mai chiesti come i protoni, tutti positivi, riescano a stare gli uni vicini agli altri?

In effetti, se l’elettromagnetismo fosse l’unica forza in gioco, la repulsione tra gli protoni sarebbe talmente potente da spararli via a una velocità relativa di circa 12000 km al secondo. Deve quindi esistere un altro meccanismo, un’altra forza così forte da sovrastare la repulsione elettromagnetica e tenere i nuclei insieme. Questa forza esiste, è una delle quattro forze fondamentali della natura che conosciamo e si chiama, rullo di tamburi e applausi per la fantasia, “forza forte”.

Se questa forza è così potente da tenere due protoni insieme sovrastando la repulsione elettromagnetica, perché allora non abbiamo atomi con tantissimi protoni? Anzi, perché tutti i protoni dell’universo non si sono uniti in un unico nucleo gigante? Il fatto è che la forza forte che tiene uniti i protoni, detta forza nucleare forte, agisce solo su brevissime distanze. Immaginate due strisce di velcro: stanno unite quando sono a contatto, ma una volta separate non sentono alcuna attrazione reciproca. È una forza a corto raggio. La forza elettromagnetica invece agisce anche a distanze molto maggiori. Quindi, mentre i protoni di un grosso atomo sentono solo l’attrazione forte dei nucleoni che gli sono più vicini, subiscono invece la repulsione elettromagnetica di tutti i protoni. Oltre un certo numero di protoni, quindi, la forza elettromagnetica torna ad essere preponderante, impedendo ai nucleoni di formare assembramenti troppo grandi. Ed è per questo che la tavola periodica non contiene atomi con numero di protoni arbitrariamente grande, o che l’Universo non è popolato da un solo enorme nucleo fluttuante, bensì da stelle, pianeti, buchi neri, ecc.

Negli scorsi tre articoli abbiamo visto come i nucleoni stessi siano composti da particelle più elementari: i quark, che insieme all’elettrone e i suoi fratelli più pesanti, ai neutrini e ai bosoni mediatori delle interazioni, sono gli ingredienti fondamentali che costituiscono tutta la materia visibile che conosciamo. Il protone, per esempio, è formato da due quark up e un down. Con uno sguardo più attento alla “moderna tavola periodica degli elementi” (vedi l’immagine sopra), scopriamo scritto in piccolo che la carica del quark up è positiva (+2/3) e quella del quark down negativa (-⅓). Anche in questo caso, la sola forza elettromagnetica porterebbe i due quark up a separarsi l’uno dall’altro. E anche in questo caso, viene in nostro aiuto la protagonista di questo articolo: la forza forte. Essa, infatti, agisce sui quark tenendoli insieme a formare tutte le particelle non elementari che conosciamo. Lo fa attraverso lo scambio di alcune particelle che trasportano questa forza, i gluoni, dall’inglese glue che vuol dire colla. I quark e i gluoni sono le uniche particelle elementari conosciute che sentono la forza forte.

La forza elettromagnetica la conosciamo tutti, e sappiamo che gli oggetti che interagiscono elettromagneticamente possono essere di due tipi, che chiamiamo carichi positivamente o carichi negativamente. Le cariche relative alla forza forte, invece, sono tre, e il loro comportamento è tale che sono state chiamate in analogia con i colori fondamentali dell’ottica: quark e gluoni possono essere verdi, rossi e blu. Ovviamente questa è solo un’analogia, le particelle non hanno un colore in senso ottico. Come l’elettrone ha carica elettrica negativa, così un quark può avere “carica di colore” (cosi si dice) blu.

La scelta di questa analogia non è casuale, permettendoci infatti di capire in modo semplice come i quark possono unirsi a formare particelle come i protoni e i neutroni, ma anche altre più esotiche (dello zoo delle particelle abbiamo parlato qui).

La regola è molto semplice: possono esistere isolate solo particelle “bianche”. Un singolo quark, quindi, avendo un suo “colore” blu, rosso o verde, non può essere osservato da solo. Però quark di tre colori diversi possono combinarsi per formare una particella “bianca”, così come unendo luce blu, rossa e verde in ottica otteniamo la luce bianca. Le particelle ottenute con tre quark, come protoni e neutroni appunto, sono chiamate “barioni”. C’è un altro modo per ottenere particelle bianche: unire un quark con un anti-quark, le antiparticelle dei quark. Le antiparticelle, infatti, sono particelle identiche alle loro sorelle particelle, ma con cariche opposte (ne abbiamo parlato qui). Possono quindi avere cariche di colore opposte, o anti-colore. Unendo quark di un certo colore col relativo anti-colore otteniamo particelle bianche chiamate “mesoni”. Esistono anche combinazioni, più rare, di più di tre quark, sempre uniti in modo da dare una particella bianca. Tutti questi giochi di colori sono descritti matematicamente da una bellissima teoria fisica che prende il nome di “cromodinamica quantistica”, la teoria che descrive e definisce l'interazione forte e che è parte di quella strabiliante teoria del quasi-tutto che è il Modello Standard delle interazioni fondamentali (leggi qui).

Concludiamo con un’ultima curiosità: ricordate gli stati della materia che abbiamo studiato a scuola, solido, liquido e gassoso? Alzare la temperatura allenta i legami tra le molecole di un solido rendendolo liquido. Un ulteriore aumento della temperatura rompe del tutto i legami molecolari portandolo allo stato gassoso. Abbiamo raccontato qui come alzare ancora la temperatura permetta di rompere i legami all’interno della molecola e degli stessi atomi portando al quarto stato della materia, il plasma, in cui nuclei ed elettroni si muovono liberamente gli uni rispetto agli altri. Fin qua abbiamo parlato di legami tra molecole, atomi, protoni e nucleo, cioè legami elettromagnetici. Adesso potremmo chiederci, raggiungendo temperatura ancora più alte è possibile rompere i legami all’interno di protoni e neutroni, cioè i legami di forza forte? La risposta è sì. Ad inimmaginabili temperature di milioni di miliardi di gradi, i legami forti si rompono a formare un nuovo stato della materia chiamato “quark-gluon plasma”. Non è fantascienza. È stato infatti prodotto in laboratorio e si ipotizza che il nostro Universo fosse formato da quark-gluon plasma nelle primissime fasi della sua vita.

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