La conservazione del sapore dei quark
Il sapore dei quark (up, down, strange, ecc.) si conserva sempre nelle interazioni forti ed elettromagnetiche, ma può cambiare nelle interazioni deboli. Poiché i processi deboli sono molto più rari e lenti rispetto a quelli forti, si parla anche di conservazione approssimativa del sapore.
Fu proprio questa conservazione approssimativa dei sapori a spingere i fisici, tra cui Murray Gell-Mann, a introdurre il concetto di "stranezza" e il relativo quark strange.
In questo modo si spiegava perché le particelle strane vengono sempre prodotte in coppia nei processi forti, che conservano la stranezza, ma decadono singolarmente (una alla volta) nei processi deboli, che non la conservano.
La spiegazione
Ogni particella adronica (barioni e mesoni) è composta da una combinazione di quark.
A loro volta, i quark sono identificati da numeri quantici detti "sapori" (flavor):
- up (u)
- down (d)
- strange (s)
- charm (c)
- bottom (b)
- top (t)
La conservazione di questi numeri quantici in ogni vertice di un processo dipende dal tipo di interazione fondamentale che viene coinvolta.
Bisogna distinguere tra due casi:
A] Interazione forte o elettromagnetica
Le interazioni forti ed elettromagnetiche conservano il sapore dei quark. In altre parole, i quark non cambiano identità.
Ad esempio, nelle collisioni forti la stranezza si conserva e le particelle strane si producono a coppie.
$$ \pi^- (\bar{u}d) + p (uud) \;\;\rightarrow\;\; K^0 (d\bar{s}) + \Lambda (uds) $$
In questo processo a sinistra non c'è nessun quark strange, ossia nessuna stranezza ($S=0$).
A destra, c'è una coppia di quark e antiquark strange che si compensano reciprocamente:
\[
\underset{S=0}{\pi^- (\bar{u}d)} +
\underset{S=0}{p (uud)}
\;\;\longrightarrow\;\;
\underset{S=+1}{K^0 (d \color{red}{ \bar{s} })} +
\underset{S=-1}{\Lambda (ud \color{red}{ s })}
\]
Complessivamente il bilancio della stranezza è nullo sia prima (a sinistra) che dopo (a destra) poiché la stranezza è stata creata in coppia (+1 e -1).
Quindi, questo processo è ammesso nelle interazioni forti perché rispetta la conservazione del sapore.
B] Interazione debole
Le interazioni deboli non conservano il sapore. Un quark può trasformarsi in un altro grazie all’emissione o assorbimento di un bosone $W^\pm$.
Ad esempio, nei decadimenti deboli la stranezza non si conserva poiché passa da $-1$ (iniziale) a $0$ (finale).
\[
\underset{S=-1}{\Lambda^0 (uds)}
\;\;\longrightarrow\;\;
\underset{S=0}{p (uud)} \;+\;
\underset{S=0}{\pi^- (\bar{u}d)}
\]
In questo caso, la particella $ \Lambda^0 $ decade per interazione debole in un protone ( $ p $ ) e in un bosone $ W^- $ che a sua volta si trasforma in un pione $ \pi^- $, senza conservare la stranezza.
La violazione della stranezza è la caratteristica distintiva delle interazioni deboli.
Proprio questa osservazione fornì una delle prove decisive per riconoscere che l’interazione debole è diversa dall’interazione forte e da quella elettromagnetica.
E così via.
