La forza colorata dei quark

A tre americani, David Gross, David Politzer e Frank Wilczek, il Nobel per la fisica 2004. Le loro ricerche rappresentano una tappa «di decisiva importanza per la nostra comprensione di come funzioni una delle forze fondamentali della natura, quella forza che lega i pezzettini più piccoli di materia - i quark»

Tocca di nuovo alla scienza d'oltreoceano. Ancora una volta sono gli americani a vincere il Nobel per la fisica, e ancora una volta sono tre uomini: dal 1901 a oggi sono solo due le fisiche ad aver vinto il premio, la prima fu Marie Curie, nel 1903, l'ultima risale al 1963. Non che le biologhe, che pure rappresentano il 60% della forza lavoro oggi, se la cavino meglio: l'ultima prima di Linda Buck premiata lunedì era stata, nel 1995, Christiane Nüsslein-Volhard. I laureati di ieri sono David Gross (che lavora all'Istituto di fisica teorica a Santa Barbara ed è anche presidente del comitato scientifico internazionale della Sissa di Trieste), David Politzer (Caltech di Pasadena) e Frank Wilczek (Mit di Boston). Ed è un premio tutto teorico quello assegnato ieri dalla reale accademia delle scienze svedese. Un fatto non troppo comune per un riconoscimento che solitamente valorizza le ricerche sperimentali rispetto a quelle teoriche. Un premio, dice la motivazione, a ricerche «di decisiva importanza per la nostra comprensione di come funzioni una delle forze fondamentali della natura, quella forza che lega i pezzettini più piccoli di materia - i quark». Tutto chiaro?

In effetti non è semplice districarsi fra i meandri di quello che qualcuno ha definito lo zoo delle particelle elementari: un elenco interminabile di nomi e sigle che indicano tutte le particelle che, nell'ottica del cosiddetto Modello standard della fisica delle particelle, dovrebbe dare una visione unificata e d'insieme di tutte le forze della natura, cioè della fisica fondamentale.

La forza di interazione forte, oggetto degli studi dei tre fisici, è una delle quattro forze fondamentali della natura, ed è quella che in sostanza tiene assieme ciascuno dei mattoni fondamentali del nucleo dell'atomo (protoni e neutroni), costituiti per l'appunto da tre quark, e i protoni e i neutroni stessi fra di loro. Le altre tre forze sono quella di gravità, studiata in senso moderno per primo da Newton, e di cui tutti abbiamo esperienza empirica; la forza di interazione debole (quella alla base dei processi di decadimento radioattivo e quindi ad esempio del brillare delle stelle), per il cui studio, tra gli altri, ha ottenuto il Nobel l'italiano Carlo Rubbia; e la forza elettromagnetica (alla base di quasi tutti i processi macroscopici che conosciamo: attrito, elettromagnetismo, ma anche l'impossibilità di passare attraverso le pareti), studiata da Maxwell nel secolo scorso.

Ciascuna di queste quattro forze ha caratteristiche diverse: la forza di gravità, ad esempio, agisce sulle lunghe distanze, anche se è molto più debole della forza elettromagnetica (provate a confrontare quanto una moneta di ferro venga attratta da un magnete con quanto non lo sia da un oggetto non magnetizzato delle stesse dimensioni), che a sua volta è molto più debole della forza di interazione forte (per l'appunto) che tiene legati fra di loro oggetti con la stessa carica (come i protoni) ma che agisce solo su distanze microscopiche.

Quello che i tre fisici hanno studiato è il meccanismo di funzionamento della forza forte (anche chiamata forza di colore, dal nome che convenzionalmente si dà alla cosiddetta «carica di colore» dei quark: rosso, blu o verde, che nulla ha a che fare con qualsiasi cosa possa essere definito «colore» nel senso comune del termine). Grazie ai calcoli che i tre fisici, allora giovanissimi (Wilczek e Politzer non erano avevano ancora il dottorato) nel 1973 pubblicarono su Physical Review Letters (in due articoli separati), il meccanismo che consentiva ai quark di essere legati fra di loro cominciò a diventare più chiaro. Uno degli aspetti della complessa teoria (basata su una funzione matematica chiamata funzione beta) era che i portatori della forza debole (detti «gluoni», dalla parola glue, cioè colla, dal ruolo analogo a quello dei fotoni nel caso della luce) interagivano sì con i quark, per permettere loro di essere legati, ma anche fra di loro. E di conseguenza, secondo la teoria, più vicini sono i quark (e i gluoni), più debole è l'interazione fra di loro. Ma i quark si avvicinano fra di loro all'aumentare dell'energia, e così, secondo i fisici, la forza dell'interazione diminuisce con l'energia. Questa proprietà è stata battezzata «libertà asintotica» (una componente fondamentale di una teoria quantistica denominata «cromodinamica quantistica») e, come conseguenza, ha quello che i risultati sperimentali già dicevano: un quark non può essere allontanato da un nucleo atomico. E' proprio come se i quark fossero collegati tra loro da un elastico che più viene tirato e più tende ad avvicinare le particelle.

Queste ricerche premiate con il Nobel, ha commentato Roberto Petronzio, direttore dell'Istituto nazionale di fisica nucleare, «segnano la svolta fondamentale nell'interpretazione corretta delle interazioni tra i quark e permette oggi di fare previsioni accurate delle loro collisioni alle future energie dei collisionatori adronici, come Lhc, l'acceleratore in costruzione al Cern di Ginevra». E che sarà in grado di simulare le condizioni dell'universo primordiale: quando tutte e quattro le forze, secondo il modello standard, a energie così elevate erano «unificate», cioè facce della stessa medaglia.

Qualcuno pensa che, raggiunto l'obiettivo dell'unificazione, si arriverà alla fine della fisica. Ma Silvio Bergia, docente di relatività a Bologna, ammonisce: «Chi ha predicato nella storia la fine della scienza è sempre stato smentito dopo pochi anni. Anche la cosiddetta Teoria del tutto, da cui siamo comunque lontani, non sarà la fine della fisica. Per fortuna».

Nelle prime dichiarazioni rilasciate, il neo Nobel Wilczek ammette: «Non è stata una sorpresa fino in fondo. Un po' me l'aspettavo. Già allora, anche se ero così giovane, ero sicuro che i miei risultati fossero corretti».

David J. Gross ha pubblicato L’universo affascinante con Di Renzo Editore.