Il confinamento dei quark

Il confinamento dei quark è il fenomeno per cui i quark non possono esistere isolati, ma sono sempre legati in particelle composte. La forza che li unisce cresce con la distanza, impedendo la loro separazione.

Si tratta di un fenomeno fisico fondamentale della cromodinamica quantistica (QCD), la teoria che descrive l'interazione forte.

In natura i quark non esistono mai da soli, ma sono sempre confinati all'interno di particelle composte, dette adroni, come i protoni e i neutroni che formano i nuclei degli atomi.

La forza responsabile del confinamento è l'interazione forte, mediata dai gluoni, i bosoni della QCD.

Nota. A differenza dei fotoni dell’elettrodinamica quantistica (QED), i gluoni possiedono carica di colore, e possono interagire tra loro. Questo rende la QCD una teoria non abeliana e altamente non lineare.

La forza forte tiene uniti i protoni e i neutroni nel nucleo, vincendo la repulsione elettrostatica tra cariche positive. Questo garantisce la stabilità dell'atomo.

Una proprietà distintiva dell’interazione forte è il suo comportamento controintuitivo rispetto alla distanza tra i quark:

• A distanze molto piccole (cioè ad alte energie), l'interazione forte si indebolisce e i quark si comportano come se fossero quasi liberi. Questo fenomeno è noto come libertà asintotica ed è stato confermato sperimentalmente negli urti ad alta energia.
• A distanze maggiori, la forza cresce con la distanza, come se i quark fossero legati da un elastico. Invece di attenuarsi, l’interazione diventa sempre più intensa. Quando si tenta di separare due quark, la forza di interazione cresce con la distanza (r), come se i due quark fossero legati da un elastico. L'energia potenziale del sistema aumenta linearmente con la distanza tra i quark: $$ V(r) \approx \sigma \cdot r $$ Dove $\sigma $ è la tensione di stringa, circa  $0.2 ,\text{GeV}^2 $.

Nota. Solo a temperature elevatissime, come nell'universo primordiale o nelle collisioni LHC, il confinamento si rompe  temporaneamente, formando un plasma di quark e gluoni.

Cosa succede se si prova a separare due quark?

Se si prova a separare due quark, il campo di colore accumula sempre più energia.

Quando l'energia supera una soglia critica, l'energia si trasforma in massa, secondo il principio $ E =mc^2 $, e si formano nuove coppie quark-antiquark dal vuoto.

Questo accade perché l’energia per separare un quark è molto più grande dell'energia necessaria per creare nuove particelle.

Quindi, il risultato finale non è la liberazione di un quark, ma la formazione di nuovi adroni.

Di conseguenza, nessun quark libero è mai stato osservato.

Nota. Il confinamento viene studiato indirettamente negli acceleratori di particelle. Negli urti ad alta energia (es. al CERN) si osservano getti di particelle ossia mesoni e barioni generati dalla frammentazione del campo di colore. Questo processo è chiamato adronizzazione.

Perché un quark singolo non esiste?

Un quark singolo non può esistere perché il confinamento impone che tutte le particelle siano neutre rispetto alla carica di colore.

• I barioni (come il protone) sono composti da tre quark di colore diverso (rosso, verde, blu): il risultato è un sistema neutro, detto "bianco".
• I mesoni, invece, sono composti da una coppia quark-antiquark con colore e anticolore. Anche in questo caso il risultato è un sistema neutro.
  

In tutti i casi il risultato finale è sempre un sistema neutro rispetto alla carica di colore.

La combinazione dei tre colori fondamentali (rosso, verde e blu) nei barioni e dei tre anti-colori (antirosso, antiverde, antiblu) negli antibarioni produce uno stato complessivamente bianco, cioè privo di colore netto.

Lo stesso avviene nei mesoni dove il colore di un quark è sempre compensato dall’anticolore del corrispondente antiquark.

Di conseguenza, un quark isolato non può esistere, poiché non poissede da solo una carica neutra. In altre parole, in natura non esiste un quark "bianco",

Quando il quark tende a separarsi, si ricombina immediatamente con altri quark o antiquark, dando origine a un adrone neutro.

Nota. Sebbene ben confermato sperimentalmente, il suo fondamento teorico completo rimane aperto. Una dimostrazione matematica rigorosa del confinamento è ancora mancante. È uno dei problemi del millennio indicati dal Clay Mathematics Institute. Chi lo risolverà riceverà un premio da un milione di dollari. In futuro, lo studio del quark-gluon plasma e delle tecniche non perturbative potrebbe avvicinarci a una comprensione definitiva.

E così via.