Conservazione del colore
La conservazione del colore è una legge fondamentale della cromodinamica quantistica (QCD), la teoria che descrive l’interazione forte tra quark e gluoni. Secondo questa legge:
In ogni interazione forte, il bilancio delle cariche di colore (le cariche di gauge SU(3)) è conservato.
Questo significa che un quark può cambiare colore (ad esempio, da rosso a verde), ma la variazione è sempre compensata da un gluone che porta via la differenza.
Esempio
Un quark rosso emette un gluone rosso-antiverde.
Il quark diventa verde, e il gluone porta via la differenza (rosso-antiverde).
$$ \text{Quark rosso} \longrightarrow \text{Quark verde} + \text{Gluone (rosso-antiverde)} $$
Il bilancio complessivo è:
- Prima: rosso
- Dopo: verde + (rosso-antiverde) che complessivamente è rosso perché verde+antiverde si annulla, lasciando complessivamente la carica rossa.
Il colore totale è conservato.
Nota. Quando scrivo rosso-antiverde intendo una combinazione colore-anticolore, non una differenza. In testi specialistici si usa anche la notazione “rosso ⊗ antiverde” per indicare la stessa combinazione.
Il colore in QCD
Nel contesto della QCD, il "colore" non ha nulla a che vedere con la percezione visiva. È una carica quantistica simile alla carica elettrica dell’elettrodinamica quantistica (QED), ma più complessa.
I quark esistono in tre "colori":
- rosso
- verde
- blu
I gluoni, che mediano l’interazione forte, trasportano una combinazione colore-anticolore (es. rosso-antiverde).
A differenza del fotone (che è neutro), i gluoni sono essi stessi portatori di carica di colore.
Nota. Le interazioni elettromagnetiche e deboli non agiscono sul colore. Nell'interazione elettromagnetica il fotone non vede il colore, quindi la QED (elettrodinamica quantistica) conserva automaticamente il colore. I bosoni $W^\pm$, $Z^0$ dell’interazione debole non si accoppiano al colore. Pertanto, in questi vertici l’identità cromatica dei quark rimane invariata.
Accoppiamenti gluone - gluone
Un aspetto caratteristico della QCD è che i gluoni interagiscono tra loro, a differenza dei fotoni.
In questi vertici non abeliani la conservazione del colore rimane valida: i gluoni cambiano colore, ma il bilancio complessivo resta invariato.
Ad esempio, due gluoni si scontrano. Uno porta rosso-antiblu, l’altro blu-antiverde. Il risultato può essere un gluone rosso-antiverde, tra altre combinazioni ammesse. In ogni caso, la carica complessiva di colore è conservata.
Confinamento e incolorità
In natura non osserviamo mai quark o gluoni liberi: restano confinati all’interno delle particelle composte. Questo fenomeno è detto confinamento.
Le particelle che osserviamo (ad esempio protoni e neutroni) sono sempre incolori, cioè con una somma neutra di colori.
Ad esempio, tre quark con colori rosso, verde e blu formano un barione incolore (es. un protone o un neutrone). Un quark e un antiquark con colore e anticolore opposti formano un mesone incolore, ecc.
Poiché tutte le particelle libere sono incolori, il colore non è mai osservabile direttamente e la conservazione del colore non appare mai direttamente negli esperimenti.
Tuttavia, pur non essendo osservabile direttamente, la conservazione del colore è una legge fondamentale che assicura la coerenza della QCD e, più in generale, del Modello Standard.
Esempi pratici
Ecco alcuni esempi pratici di conservazione del colore
Esempio 1 (emissione di un gluone da un quark)
Un quark rosso emette un gluone rosso - antiverde:
$$ q_{\text{rosso}} \;\;\longrightarrow\;\; q_{\text{verde}} + g_{\text{rosso⊗antiverde}} $$
Il quark cambia colore (rosso → verde).
Il gluone porta la combinazione che compensa la variazione.
Complessivamente, il bilancio totale è colore rosso prima e colore rosso dopo.
Esempio 2 (scambio di gluone tra due quark)
Un quark rosso e un quark verde si scambiano un gluone.
Il primo quark cambia da rosso a blu, mentre il secondo quark da verde a rosso.
$$ q_{\text{rosso}} + q_{\text{verde}} \;\;\longrightarrow\;\; q_{\text{blu}} + q_{\text{rosso}} + g_{\text{(intermedio)}} $$
Il gluone intermedio trasporta la differenza di colore.
La combinazione dei colori prima e dopo resta invariata, quindi la legge di conservazione del colore è rispettata.
Esempio 3 (interazione gluone - gluone)
Due gluoni si scontrano: uno rosso - antiblu e uno blu - antiverde.
L’interazione può produrre un gluone rosso - antiverde (tra altri possibili stati).
La combinazione totale di colore - anticolore resta conservata.
Esempio 4 (formazione di un barione)
Tre quark di colori diversi (rosso, verde, blu) si combinano.
$$ q_{\text{rosso}} + q_{\text{verde}} + q_{\text{blu}} \;\;\longrightarrow\;\; \text{protone incolore} $$
La somma dei tre colori è neutra.
Il risultato è una particella incolore, osservabile in natura.
Esempio 5 (formazione di un mesone)
Un quark rosso e un antiquark antirosso si legano:
$$ q_{\text{rosso}} + \bar{q}_{\text{antirosso}} \;\;\longrightarrow\;\; \text{mesone incolore} $$
Il colore e l'anticolore si annullano.
Quindi, la particella risultante è incolore.
E così via.
