La carica di colore e il confinamento

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La carica di colore

I quark e i gluoni sono particelle dotate di carica di colore. Se le particelle dotate di carica elettrica interagiscono scambiandosi fotoni, allo stesso modo le particelle dotate di carica di colore si scambiano gluoni in interazioni forti . Così facendo, le particelle con carica di colore si "incollano" tra loro --e gluone deriva dall'inglese "glue", che significa "colla".

La differenza principale tra l'interazione forte e quella elettromagnetica è che i mediatori dell'interazione forte (i gluoni) hanno essi stessi una carica di colore; quelli dell'interazione elttromagnetica (i fotoni), invece, non hanno carica elettrica.

Due o più quark vicini tra loro si scambiano incessantemente gluoni, creando un "campo di forza di colore" molto forte, che li lega. Ci sono tre cariche di colore, e tre corrispondenti cariche di colore complementari (anti-colore). Un quark cambia continuamente la sua carica di colore dato che scambia gluoni con altri quark.

Ogni quark ha una di queste tre cariche di colore, e ogni antiquark ha una delle tre cariche complementari. 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.



Il confinamento dei quark

Le particelle con carica di colore non si possono trovare isolate. Per questo motivo, si dice che i quark (che hanno carica di colore) sono confinati con altri quark in gruppi (gli adroni). Questi gruppi sono di colore neutro.

Finché il Modello Standard non ha sviluppato la teoria dell'interazione forte, i fisici non riuscivano a spiegare 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. Particelle composte per esempio da un quark u e un quark d, o da due quark d, non sarebbero neutre di colore, e infatti non sono mai state osservate sperimentalmente.

Come funziona la carica di colore?

La carica di colore si conserva sempre. Perciò, quando un quark emette o assorbe un gluone, il colore del quark deve cambiare, per conservare la carica. Per esempio, consideriamo un quark rosso che diventa un quark blu ed emette un gluone rosso/anti-blu: il colore "netto" è sempre rosso.

I quark all'interno di un adrone emettono e assorbono gluoni in continuazione, così non è possibile osservare il colore di un quark specifico. All'interno di un adrone, comunque, il colore dei quark che si scambiano gluoni cambia, ma sempre e solo in maniera che il sistema resti di colore neutro, cioè sia stabile, e quindi, questo sì, osservabile.


Il campo di forza di colore

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.

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