Interazione forte

Interazione forte Una delle quattro forze fondamentali della natura. Si tratta dell’interazione responsabile della coesione dei protoni e dei neutroni all’interno del nucleo atomico. Il suo nome si deve alla notevole intensità relativa, di gran lunga maggiore di quella delle altre tre forze fondamentali: elettromagnetica, debole e gravitazionale.

L’interazione forte è una forza attrattiva e, a differenza delle forze elettromagnetica e gravitazionale, è a corto range: i suoi effetti si esauriscono a brevissima distanza dall’origine, vale a dire, a distanze dell’ordine delle dimensioni nucleari (~10^-15 m). Il suo potenziale di interazione, infatti, detto potenziale di Yukawa, ha una dipendenza dalla distanza r di tipo esponenziale negativo (V ÷ e^-r/r), che diminuisce molto rapidamente al crescere di r. Per questo, l’interazione forte si rivela soltanto a livello microscopico, e più precisamente subnucleare.

Il fatto che questo tipo di interazione riguardi soltanto sistemi microscopici è in relazione con la sua estrema intensità: se si considera il rapporto tra intensità di una forza e dimensioni caratteristiche dei sistemi che ne sono interessati, infatti, si scopre che tanto più piccoli sono i sistemi, tanto più intensa è la forza (si pensi, ad esempio, che la forza gravitazionale – la più debole delle quattro forze fondamentali – ha un’intensità relativa talmente piccola da poter essere rivelata soltanto su scala macroscopica).

Non tutte le particelle subnucleari risentono dell’interazione forte; quelle che sono in grado di interagire “forte” sono gli adroni, ossia tutte le particelle costituite da quark. Lo studio della forza forte si confonde quindi con quello delle proprietà dei quark. L’interazione tra questi costituenti fondamentali della materia avviene attraverso lo scambio di particelle mediatrici chiamate gluoni (dall’inglese, glue, colla), particelle virtuali, che esistono soltanto per il tempo brevissimo in cui si consuma l’interazione.

Nelle interazioni forti vale il principio di conservazione della carica di colore, una proprietà specifica dei quark, che può esere considerata l’analogo della carica elettrica per la forza elettromagnetica.

Lo studio dell’interazione forte ebbe inizio con le ricerche del giapponese Hideki Yukawa, che nel 1935, sulla base di studi teorici, predisse l’esistenza del mesone p, in seguito confermata in sede sperimentale (nel 1947, da Cecil Powell). Più tardi, nel 1953, Murray Gell-Mann e George Zweig inquadrarono la teoria dell’interazione forte su basi quantistiche, fondando la cromodinamica quantistica (QCD). Tale teoria afferma che gli adroni sono costituiti da sei tipi di quark diversi, ciascuno caratterizzato da tre varianti di una proprietà fisica chiamata “colore” (da qui il nome della teoria, “cromodinamica”). Rispetto all’elettrodinamica quantistica – la teoria quantistica dell’interazione elettromagnetica – la cromodinamica quantistica ha la stessa struttura generale (è una teoria di gauge), ma è molto più complessa.

Oggi i ricercatori studiano la possibilità di inquadrare tutte e quattro le forze fondamentali in un’unica teoria, detta appunto teoria della grande unificazione (GUT).