“Forza forte”: l’origine della potenza più grande mai scoperta / “Strong Force”: the origin of the greatest power ever discovered
“Forza forte”: l’origine della potenza più grande mai scoperta / “Strong Force”: the origin of the greatest power ever discovered
I fisici hanno finalmente scoperto da cosa trae origine la potenza della forza forte, conosciuta anche come interazione forte. / Physicists have finally discovered what gives rise to the power of the strong force, also known as the strong interaction.
La forza più potente nell’Universo è chiamata, giustamente, la forza forte. Non riusciamo mai a testimoniare il suo incredibile potere perché funziona solo su distanze subatomiche, dove lega insieme i quark all’interno di protoni e neutroni ed unisce i nucleoni nei nuclei atomici.
Delle quattro forze fondamentali della natura, si tratta del fenomeno fisico più potente: è 100 trilioni di trilioni di trilioni di volte più forte della forza di gravità. È anche la più misteriosa. Nonostante sappiano approssimativamente come si confronta con le altre forze, gli scienziati ne ignorano l’esatto livello di potenza.
Le altre tre forze – nucleare debole (responsabile di parte della radioattività), elettromagnetica e gravità– sono misurate molto meglio.
La forza dell’elettromagnetismo, ad esempio, indicata dalla sua “costante di accoppiamento”, è stata misurata con la stessa precisione della distanza tra New York e Los Angeles, con un’approssimazione di pochi capelli. Eppure la costante di accoppiamento della forza forte, chiamata α s (“alpha s”), è di gran lunga la meno compresa di queste quantità. La precisione delle migliori misurazioni di α s è 100 milioni di volte peggiore di quella della misurazione elettromagnetica.
Incertezze sulla forza forte
ll livello di incertezza è noto solo nel dominio più semplice della teoria della forza forte, ad energie molto elevate coinvolte solo in alcuni degli eventi più rari ed estremi in natura. Alle energie inferiori rilevanti per il mondo che ci circonda, la forza forte guadagna il suo nome diventando veramente intensa, e le informazioni concrete sugli α in questo intervallo sono scarse. Fino a poco tempo fa nessuno aveva effettuato misurazioni sperimentali di α s su questa scala. Le previsioni teoriche sul suo valore si sono rivelate inutili, poiché coprivano l’intero intervallo da zero ad infinito.
La forza forte ha diverse caratteristiche che la rendono unica:
1. Portata limitata: Contrariamente a quella gravitazionale o elettromagnetica, la forza forte diminuisce rapidamente con la distanza. A distanze maggiori di circa 10^{-15} metri (nota come lunghezza di Planck), essa diventa trascurabile.
2. Confinamento dei quark: Gli effetti della forza forte diventano così intensi a distanze relativamente grandi che tali fermioni non possono mai esistere liberamente. Questo fenomeno è noto come confinamento dei quark.
3. Color charge: I quark portano una “carica di colore” che è analogo alla carica elettrica nella forza elettromagnetica. A differenza però di quella elettrica, la carica di colore può essere rossa, verde o blu, e le particelle composte devono avere una carica complessiva di “bianco”. Questo è noto come confinamento del colore.
4. Forti interazioni: La forza forte è, come suggerisce il nome, incredibilmente potente a distanze ravvicinate. Questo è ciò che mantiene i quark insieme all’interno dei protoni e dei neutroni, nonostante le loro cariche di colore simili.
Gli esatti dettagli di come la forza forte emerga dalle interazioni tra i gluoni e i quark sono complessi e derivano dalla teoria della cromodinamica quantistica (QCD), che è una delle teorie fondamentali della fisica delle particelle. Essenzialmente, i gluoni trasportano la forza tra i quark attraverso gli scambi di particelle virtuali, creando un campo di forza che li tiene insieme all’interno dei protoni e dei neutroni.
La Terra Damnata
Non possiamo comprendere cosa sia la forza forte, senza tenere conto della Terra Damnata. Essa è un concetto che si riferisce ad una teoria avanzata da alcuni fisici teorici che suggerisce l’esistenza di un possibile stato della materia noto come “quark deconfinito” o “strana materia”.
Secondo questa teoria, in condizioni estreme di temperatura e pressione, come quelle che si possono trovare nel cuore di stelle di neutroni molto dense o nei primi istanti dopo il Big Bang, i quark possono essere liberi di muoversi anziché essere confinati all’interno dei protoni e dei neutroni.
La Terra Damnata è un termine che si riferisce all’idea che, se questa materia strana esistesse e fosse stabile, potrebbe essere presente all’interno di corpi celesti estremamente massicci, come stelle di neutroni. Si ipotizza che tali corpi celesti potrebbero avere un nucleo di materia strana, il che potrebbe portare a risultati straordinari, come la possibilità di esperimenti di fisica delle particelle su scala macroscopica.
La possibile soluzione al problema
Sfruttando le informazioni migliorate provenienti dagli approcci top-down, bottom-up e di simulazione, il gruppo ha aggiornato la sua analisi teorica. Gli scienziati hanno scoperto che, al di fuori di Terra Damnata, il loro accoppiamento ed i dati di Deur concordano meglio dell’1%.
Inoltre, spostandosi su Terra Damnata, hanno scoperto che le complesse interazioni tra quark, che avrebbero potuto sconvolgere la connessione tra questi accoppiamenti, in gran parte si annullano tra loro a causa delle caratteristiche fisiche dei processi alla base dell’integrale di Bjorken.
Per la prima volta, disponiamo sia di dati convincenti che di calcoli di α che coprono l’intero intervallo di lunghezze, inclusa Terra Damnata, il territorio precedentemente irraggiungibile. La scoperta chiave è che man mano che la distanza aumenta, l’accoppiamento smette di crescere e la costante incostante diventa nuovamente costante. Questa scoperta ha profonde implicazioni.
Innanzitutto, conoscere α s a tutte le distanze è importante dal punto di vista pratico: i fisici ora possono prevedere analiticamente numerose quantità che prima erano fuori portata. La maggior parte dei fenomeni legati alla forza forte in natura, dalla struttura più profonda degli atomi dentro di noi al funzionamento interno delle stelle di neutroni, sono determinati dalla forza di α s. Poiché questo accoppiamento è dominato dal suo comportamento a lungo raggio, che ora sappiamo essere finito anziché infinito, abbiamo aperto un nuovo mondo di possibili calcoli.
ENGLISH
The most powerful force in the Universe is called, rightly, the strong force. We never get to witness its incredible power because it only works over subatomic distances, where it binds quarks together inside protons and neutrons and joins nucleons in atomic nuclei.
Of the four fundamental forces of nature, it is the most powerful physical phenomenon: it is 100 trillion trillion trillion times stronger than the force of gravity. It is also the most mysterious. Although they know approximately how it compares to other forces, scientists are ignorant of its exact level of power.
The other three forces – weak nuclear (responsible for some of the radioactivity), electromagnetic and gravity – are measured much better.
The strength of electromagnetism, for example, indicated by its "coupling constant," has been measured as precisely as the distance between New York and Los Angeles, to within a hair's breadth. Yet the strong force coupling constant, called α s (“alpha s”), is by far the least understood of these quantities. The accuracy of the best α s measurements is 100 million times worse than that of electromagnetic measurement.
Uncertainties about the strong force
The level of uncertainty is known only in the simplest domain of strong force theory, at very high energies involved in only some of the rarest and most extreme events in nature. At the lower energies relevant to the world around us, the strong force earns its name by becoming truly intense, and concrete information about αs in this range is scarce. Until recently no one had made experimental measurements of α s on this scale. Theoretical predictions about its value turned out to be useless, since they covered the entire range from zero to infinity.
The strong force is responsible for keeping subatomic particles together within the atomic nucleus. This reality is mediated by gluons, which are elementary particles that act between quarks, the fundamental constituents of protons and neutrons.
The strong force has several characteristics that make it unique:
1. Limited range: Unlike gravitational or electromagnetic forces, the strong force decreases rapidly with distance. At distances greater than about 10^{-15} meters (known as the Planck length), it becomes negligible.
2. Quark confinement: The effects of the strong force become so intense at relatively large distances that such fermions can never exist freely. This phenomenon is known as quark confinement.
3. Color charge: Quarks carry a “color charge” which is analogous to the electric charge in the electromagnetic force. However, unlike the electric one, the color charge can be red, green or blue, and the composite particles must have an overall "white" charge. This is known as color confinement.
4. Strong Interactions: The strong force is, as the name suggests, incredibly powerful at close distances. This is what keeps quarks together inside protons and neutrons, despite their similar color charges.
The exact details of how the strong force emerges from interactions between gluons and quarks are complex and arise from the theory of quantum chromodynamics (QCD), which is one of the fundamental theories of particle physics. Essentially, gluons carry force between quarks through virtual particle exchanges, creating a force field that holds them together inside protons and neutrons.
The Damned Earth
We cannot understand what the strong force is, without taking into account the Damned Earth. It is a concept that refers to a theory put forward by some theoretical physicists that suggests the existence of a possible state of matter known as “debounded quark” or “strange matter”.
According to this theory, in extreme conditions of temperature and pressure, such as those found in the heart of very dense neutron stars or in the first moments after the Big Bang, quarks can be free to move rather than being confined inside protons and neutrons.
Damned Earth is a term that refers to the idea that, if this strange matter existed and was stable, it could be present within extremely massive celestial bodies, such as neutron stars. It is hypothesized that such celestial bodies could have a core of strange matter, which could lead to extraordinary results, such as the possibility of particle physics experiments on a macroscopic scale.
The possible solution to the problem
Leveraging improved information from top-down, bottom-up and simulation approaches, the team updated its theoretical analysis. Scientists have found that, outside of Terra Damnata, their mating and Deur's data agree better than 1%.
Furthermore, moving to Terra Damnata, they discovered that the complex interactions between quarks, which could have disrupted the connection between these pairings, largely cancel each other out due to the physical characteristics of the processes underlying the Bjorken integral.
For the first time, we have both compelling data and calculations of α that cover the entire length range, including Terra Damnata, the previously unreachable territory. The key finding is that as distance increases, coupling stops growing and the inconsistent constant becomes constant again. This discovery has profound implications.
First, knowing α s at all distances is important from a practical point of view: physicists can now analytically predict numerous quantities that were previously out of reach. Most strong force phenomena in nature, from the deepest structure of atoms within us to the inner workings of neutron stars, are determined by the α s force. Because this coupling is dominated by its long-range behavior, which we now know is finite rather than infinite, we have opened up a new world of possible calculations.
Da:
https://reccom.org/forza-forte-potenza-grande-scoperta/?fbclid=IwAR1wcaC1A6tLhTILHrllw3xWz4sjCtawTypOlOBwAobRb67b_Rc0zGCdJcc
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