Mediatori per le forze

MEDIATORI PER LE FORZE

Secondo la fisica moderna le forze che si esercitano tra due corpi distanti sono trasportate da un corpo all'altro da particelle denominate mediatori di forza, identificabili con i bosoni.

Il modo migliore per descrivere un'interazione è di definire le due quantità fondamentali che caratterizzano ciascuna cioè il raggio d'azione e l'intensità. Nel primo caso si intende la distanza massima a cui l'interazione è influente, nel secondo caso si intende definire quanto è forte un'interazione. Quanto più è pesante un dato bosone, tanto più breve sarà il raggio d'azione. Alcune particelle fermioniche sono soggette ad alcune di queste quattro interazioni, mentre non sono soggette ad altre.

L'interazione elettromagnetica nell'atomo tiene gli elettroni legati al nucleo. L'attrazione o la repulsione tra due particelle cariche elettricamente avviene attraverso lo scambio di bosoni denominati fotoni (γ), particelle prive sia di massa sia di carica elettrica, che si muovono da una parte all'altra in tempi molto piccoli e non misurabili. Essa ha un raggio d'azione infinito. Inoltre l'interazione elettromagnetica permette ad atomi differenti di unirsi tra loro in maniera solidale. Le particelle cariche di un dato atomo interagiscono con le particelle di segno opposto di un altro atomo. Infatti, è vero che gli atomi sono il più delle volte (almeno quando non si comportano come ioni, cosa che genera il legame chimico) elettricamente neutri, ma succede che gli elettroni di un atomo siano attratti dai protoni dell'altro e viceversa. Ecco perché atomi di un dato elemento chimico sono uniti in molecole.

L'interazione nucleare forte si esercita tra quark e costringe i protoni a rimanere confinati all'interno del nucleo insieme ai neutroni. Infatti, non si riusciva a giustificare che i protoni carichi positivamente, anziché respingersi fra loro, risultassero "compatti" nel nucleo e non si riusciva a spiegare la presenza fra di essi, sempre a stretto contatto, dei neutroni. L'interazione nucleare forte è quindi responsabile della struttura del nucleo e solo particelle composte da quark possono parteciparvi. Essa ha un raggio d'azione estremamente piccolo. L'attrazione fra protoni e neutroni è stata spiegata nel 1935 dalla teoria del fisico giapponese H. Yukawa che ipotizzava l'esistenza di particelle con massa intermedia fra il protone e l'elettrone: i mesoni. I mesoni furono da lui considerati i mediatori dell'interazione forte. Il mesone fu effettivamente scoperto nel 1947 dal fisico italiano G. Occhialini e dall'inglese C. Powell nei raggi cosmici. Oggi sappiamo che il mediatore dell'interazione forte è invece il bosone gluone, identificato da S.C.C. Ting nel 1979. Il nome gluone è un inglesismo molto pittoresco, dal momento che deriva dal termine inglese "glue" che significa "colla". I gluoni sono quindi la "colla" che tiene insieme il nucleo in quanto agisce tra due protoni, tra un protone e un neutrone, e tiene uniti gli stessi quark all'interno di protoni e neutroni. L'interazione nucleare forte è una forza potentissima che solo a distanze piccolissime - pari alle dimensioni di un singolo nucleone - diventa vincente. La legge della forza nucleare forte funziona all'inverso di quella elettromagnetica che governa l'attrazione e la repulsione tra cariche elettriche, almeno tenendo conto della dipendenza della distanza. Con ciò non si nega che i protoni del nucleo tendano a essere respinti dalle forze elettriche che ben conosciamo, ma questo avviene solo a distanze molto più grandi di quelle cui invece i protoni si legano tra di loro. Pertanto negli atomi esiste una specie di barriera separatrice di forze: di là da questa barriera prevale la forza di repulsione mentre al di qua prevale la coesione, la quale rappresenta proprio la forza nucleare forte. In realtà i gluoni tengono legati i quark in maniera molto elastica. Infatti, se i quark si spostano verso l'interno del baricentro dei nucleoni classici (protoni e neutroni), allora essi sono abbastanza liberi di muoversi, ma se tentano di uscire verso l'esterno, l'interazione nucleare forte diventa immensa e i gluoni li ritirano immediatamente verso l'interno. Anche i gluoni possiedono la caratteristica carica di colore dei quark. Proprio come le particelle elettricamente cariche interagiscono tra loro scambiando tra loro fotoni nelle interazioni elettromagnetiche, i quark scambiano tra loro gluoni nelle interazioni nucleari forti. La dinamica è che quando due quark sono vicini l'uno all'altro essi scambiano tra loro gluoni fino a formare un potentissimo campo di colore che lega i quark assieme. Un gluone è associato a un colore e a un anti-colore e ogni volta che un gluone viene scambiato tra due quark, esso cambierà i loro colori. In contrasto al fotone mediatore dell'interazione elettromagnetica che non cambia la carica elettrica delle particelle interagenti, i gluoni cambiano il colore dei quark. Più i quark vengono allontanati tra loro e maggiore è l'energia di colore del campo di colore che li tiene uniti. In casi estremamente energetici diventa economico per il campo di colore gluonico materializzarsi in una coppia quark-antiquark (questo è un vero e proprio decadimento, tipico dell'interazione forte), la quale a sua volta decadrà in altre particelle. Questa coppia va a costituire quella particella che si chiama mesone e che è un po' l'aiutante del gluone nel permettere ai quark di interagire tra loro. Al contempo il mesone permette ai protoni di stare assieme tra loro ben uniti, così come ai neutroni. I mesoni garantiscono la stabilità dei nuclei e sono stati creati dal campo di colore portato dai gluoni. Dunque il neutrone, così come il protone, è circondato da una nube di mesoni. Protoni e neutroni sono legati assieme nei nuclei per via dello scambio di mesoni. Tutte queste trasformazioni e materializzazioni avvengono per fare in modo che l'energia totale del sistema sia sempre conservata.

L'interazione nucleare debole è responsabile del decadimento particellare. Si manifesta tramite tre bosoni vettori dotati di massa dei quali due dotati di carica (W⁺ e W^-) e uno neutro (Z⁰), è sperimentata da tutti i fermioni delle tre generazioni ed ha un raggio d'azione piccolissimo. Una forma importante di decadimento è rappresentata dal decadimento radioattivo, ad esempio il decadimento Beta, dove un neutrone decade in un protone, un elettrone e un antineutrino. Ma l'origine profonda dei decadimenti particellari va vista ancora più al microscopio dove quark e leptoni massicci (della seconda e terza generazione) decadono di solito in quark e leptoni più leggeri (della prima generazione). Il decadimento richiede ovviamente la conservazione totale della carica, dell'energia e del numero di particelle di un dato tipo (adroni o leptoni), per potersi realizzare. La massa delle particelle apparentemente non è conservata (la massa totale delle particelle risultanti dal decadimento è inferiore a quella delle particelle prima del decadimento), ma siccome in virtù della famosa equazione di Einstein, , la massa e l'energia sono equivalenti, una parte della massa particellare viene convertita in energia cinetica delle particelle in moto. Il decadimento Beta si esplica nella sparizione di un quark down con l'apparizione di un quark up e di un bosone virtuale W (portatore di carica + o -) che fa da intermediario nel processo. La sparizione di un tipo di quark e l'apparizione di un altro tipo di quark è esattamente ciò che porta a trasformare un neutrone in un protone. Il bosone W dura una frazione infinitesima di tempo (talmente piccolo da permettere di definire questo bosone una particella virtuale) perché poi esso decade a sua volta in un elettrone e in un antineutrino elettronico. I bosoni W hanno una carica elettrica e sono responsabili dell'interazione debole tramite una corrente carica. Infatti, durante lo scambio di un bosone W i fermioni cambiano la loro carica elettrica, cambiando di sapore, come si suole dire nel gergo dei fisici nucleari. L'altro bosone, il Z, responsabile dell'interazione debole si comporta attraverso la propagazione di una corrente neutra. In tal modo il bosone Z non avendo carica elettrica non provoca alcun cambiamento di sapore, ovvero della natura della particella. La forza elettromagnetica e quella debole appaiono diverse perché i bosoni W e Z che mediano la forza debole sono dotati di massa, mentre il fotone che media la forza elettromagnetica ne è privo. Tuttavia le due interazioni sono globalmente comparabili dal momento che la forza di un'interazione dipende fortemente sia dalla massa del bosone portatore della forza che dal raggio d'azione a cui avviene l'interazione. Nel caso di queste due interazioni apparentemente così differenti, la grandissima portata dell'interazione elettromagnetica - che è infinita - controbilancia la massa nulla del fotone. Il contrario esatto succede nell'interazione debole, dove la portata davvero piccola controbilancia la massa consistente dei tre bosoni vettori intermedi, portatori della forza debole. Weinberg, Glashow e Salam riuscirono a unificare l'interazione debole con l'interazioni elettromagnetica in una sola forza: l'interazione elettrodebole. Nell'ambito dell'unificazione elettrodebole, i bosoni W e Z sono spesso denominati luce pesante, in contrasto ai fotoni senza massa della radiazione elettromagnetica. All'interno dell'unificazione elettrodebole un ruolo fondamentale è giocato dal fotone e dal bosone neutro Z: si è dimostrato che nessuno dei due può vivere senza l'altro. Infatti, interazione elettromagnetica e interazione nucleare debole si fondono in un'unica forza solo quando le particelle si trovano a energia sufficientemente elevata. In condizioni di energia normale le due interazioni restano comunque separate.

La gravità (interazione gravitazionale), dopo la fase di Newton, con Einstein è entrata nel regno della relatività generale e viene descritta come il risultato dell'incurvamento spaziotemporale nel punto in cui si trova un corpo dotato di massa. I fisici teorici, coerentemente con la logica del Modello Standard per tutte le particelle, anche in questo caso ritengono che la gravità non dipenda da un misterioso campo di forze che esercita un'azione a distanza, bensì da un bosone mediatore, che agendo in maniera simile ai bosoni delle altre tre forze del mondo microscopico, funga da portatore di forza. Proprio per questa ragione è stato inventato il gravitone, una particella quantistica che deve agire su tutte le altre particelle anche se ben oltre il raggio di interazione nucleare e degli orbitali elettronici degli atomi. Tuttavia per ora questo gravitone rimane una particella solo ipotetica che esiste solo nei modelli, ma non è stata mai trovata. Può essere che essa emerga sotto forma delle cosiddette onde gravitazionali. Infatti, se si assume di quantizzare anche la gravità sotto forma di un bosone gravitone allora la meccanica quantistica afferma che anche questa energia dovrebbe assumere sia la forma di onda sia di particelle. La scoperta delle onde gravitazionali potrebbe quindi essere il primo passo per arrivare a scoprire le particelle portatrici dell'interazione gravitazionale ma per ora restano solo un mero costrutto teorico.

Fotoni, gluoni e bosoni W e Z hanno spin 1 mentre il gravitone avrebbe spin 2.

L'intensità relativa delle quattro interazioni che si realizzano in natura viene di solito espressa in relazione all'intensità dell'interazione forte che viene posta uguale a 1. In tal modo abbiamo che l'interazione elettromagnetica avrà un'intensità di 10^-2, l'interazione debole avrà un'intensità di 10^-13, infine l'intensità dell'interazione gravitazionale avrà un'intensità di 10^-38. In termini di intensità abbiamo quindi due estremi: da una parte l'interazione gravitazionale che è incommensurabilmente debole ma di raggio infinitamente grande e dall'altra l'interazione nucleare forte che è potentissima ma di raggio incommensurabilmente piccolo (una scala molto più piccola del raggio dell'atomo).