Quark e gluoni colorati

A dispetto di molti e ampi sforzi sperimentali (si faceva urtare violentemente gli adroni l’uno contro l’altro negli acceleratori di particelle sperando di poterne estrapolare un quark), nessun quark isolato è stato mai osservato. I fisici, ora, pensano che i quark siano permanentemente confinati all’interno delle particelle ordinarie (adroni) a causa di una forza eccezionalmente intensa che impedisce loro di sfuggire. Questa forza, chiamata forza di colore, aumenta con la distanza di separazione (analogamente alla forza di una molla).

Questa grande intensità della forza fra i quark venne descritta da Harald Fritzsch, in "Quarks, the Suff of Matter" ("Quark, il tessuto della materia"), nel modo seguente:

"I quark sono schiavi della loro propria carica di colore,... legati come prigionieri alla catena dei forzati... .Qualunque fabbro può spezzare la catena fra due prigionieri, ma nessun fabbro è esperto abbastanza per spezzare le catene di gluoni fra i quark. I quark rimangono schiavi per sempre".

I quark hanno la proprietà notevole di essere confinati permanentemente all’interno di particelle bianche come il neutrone e il protone. In laboratorio si possono osservare direttamente solo particelle bianche. Nelle particelle osservabili i colori si fondono sempre a dare il bianco e solo al loro interno possono esistere oggetti colorati. Similmente, la carica elettrica di un oggetto osservabile è sempre un numero intero e particelle con carica elettrica frazionaria possono esistere solo all’interno degli oggetti osservabili. Perché i quark siano confinati come sono, le forze che agiscono tra loro devono essere molto diverse dalle forze a noi famigliari, come l’elettromagnetismo. Come la forza elettromagnetica che opera tra gli elettroni è generata dallo scambio virtuale di fotoni, così i quark sono legati l’uno all’altro da una forza derivante dallo scambio di altri quanti, i quali sono chiamati "gluoni"(da glue, colla), perché incollano insieme i quark formando oggetti bianchi osservabili, come protoni e neutroni. La forza che tiene uniti tra loro i quark (attraverso i bosoni portatori "gluoni") è la forza nucleare forte. Essa spiegava perché ci fossero solo combinazioni di tre quark (i barioni) o combinazioni di un quark e un antiquark (i mesoni), e non altre. Ora sappiamo che esistono solo quelle combinazioni perché solo quelle combinazioni sono neutre di colore. I gluoni non presentano alcuna attenzione ai sapori; potremmo dire che hanno una "cecità gustativa". Sono invece molto sensibili ai colori. Il colore svolge in effetti per loro lo stesso ruolo che la carica elettrica svolge per il fotone: i gluoni interagiscono con il colore in un modo molto simile a quello in cui i fotoni interagiscono con la carica elettrica. Ma, quando il fotone interagisce con un elettrone, questo rimane elettrone; invece quando un quark interagisce con un gluone, si ha una trasformazione del colore del quark, dovuta al fatto che il gluone porta via una carica, ad esempio verde, al quark, e gliene conferisce un’altra di diverso colore, ad esempio rossa. Questo cambiamento di colore è necessario per conservare la carica di colore. Infatti i gluoni sono portatori di coppie colore/anti-colore, non necessariamente colori complementari: per esempio, c'è il gluone rosso/anti-blu. Le combinazioni colore/anti-colore sono 9, ma una di queste è stata eliminata per delle considerazioni di simmetria: in realtà un gluone porta una tra 8 diverse combinazioni colore/anti-colore.

Benché i quark siano intrappolati per sempre e non possano essere rivelati direttamente in laboratorio, sono stati compiuti esperimenti che ne confermano l’esistenza all’interno del protone. Per esempio, si può usare un fascio di elettroni ad alta energia per eseguire una sorta di elettromicrografia dell’interno del protone, la quale è in grado di rivelare la struttura a quark.

I quark di un adrone si scambiano gluoni freneticamente. A questo si riferiscono i fisici quando parlano di campo di forza di colore, che consiste dei gluoni che tengono insieme il gruppo di quark. Se uno dei quark di un adrone viene allontanato dai suoi compagni, il campo di forza di colore "si allunga" per mantenere il legame. In questa maniera cresce l'energia del campo di forza di colore, e cresce quanto più vengono allontanati i quark tra loro. A un certo punto, è più economico, dal punto di vista energetico, che il campo di forza di colore si spezzi e liberi energia che si converta nella massa di due nuovi quark: allora, al posto dell'adrone di partenza col campo "allungato", possono formarsi due nuovi adroni, e il campo di forza può "rilassarsi".

Un quark non può esistere isolato perché deve mantenere un campo di forza di colore con altri quark.