Non sai cosa sia la roba, tu che la tieni tra le mani. Atomi? Sì, la roba è fatta di atomi. E ogni atomo è un nucleo orbitato da elettroni. Ogni nucleo è costruito di protoni. Ogni protone è – ma lì si raggiunge la fine della linea. All’interno del protone si trova la verità profonda e inquietante: le cose sono fatte di nulla, o quasi nulla, tenute insieme da colla, molta colla. I fisici iniziarono a sospettare questo nel 1973. Ultimamente è stato dimostrato dall’esperimento.
Foto del CERN
Frank Wilczek era uno studente laureato di 21 anni all’Università di Princeton quando luiaiutò a sviluppare questa teoria del protone nel 1973. All’inizio non lo capiva davvero; stava solo seguendo dove lo portava la matematica. “Abbiamo fatto i calcoli, ma non avevamo una semplice comprensione intuitiva”, afferma Wilczek. “L’immagine fisica è arrivata più tardi.”Quella foto ha preso un po’ anche per i fisici di assorbire, perché in realtà non è semplice. Ancora oggi, se chiedi a un fisico di descrivere un protone, otterrai prima una versione a cartoni animati, quella che dice che un protone è fatto semplicemente di tre particelle più piccole chiamate quark. Quella descrizione non è esattamente falsa-è solo a bassa risoluzione. E ‘ vero il modo in cui una foto di Times Square da 30.000 piedi di distanza è vero. La realtà ravvicinata, quella che Wilczek e i suoi colleghi hanno intravisto molto tempo fa, è molto più folle e strana.
Un protone è fatto di tre quark, sì, ma i quark sono infinitesimali—solo il 2 percento circa della massa totale del protone. Stanno sferragliando intorno alla velocità della luce vicino all’interno del protone, ma sono imprigionati in nuvole tremolanti di altre particelle—altri quark, che si materializzano brevemente e poi svaniscono e, soprattutto, gluoni, che trasmettono la forza che lega i quark insieme. I gluoni sono senza massa ed evanescenti, ma trasportano la maggior parte dell’energia del protone. Ecco perché è più preciso dire che i protoni sono fatti di gluoni piuttosto che di quark. I protoni sono piccole macchie di colla – ma anche quell’immagine trasmette qualcosa di troppo statico e sostanziale. Tutto è flusso e energia scoppiettante all’interno di un protone; è come una tempesta di fulmini senza fine in una bottiglia, una bottiglia in meno .1 trilionesimo di pollice di diametro. “È una struttura molto ricca e dinamica”, afferma Wilczek. “Ed è molto piacevole che abbiamo una teoria che può riprodurlo.”
Soprattutto se ti capita di essere uno dei ragazzi che ha inventato la teoria, e se, più di due decenni dopo, quella teoria viene effettivamente verificata dall’esperimento. In un acceleratore di particelle chiamato HERA ad Amburgo, in Germania, i fisici hanno sparato elettroni in protoni negli ultimi otto anni, mostrando quanto inconsistenti siano i quark all’interno. Nel frattempo, altri esperimenti sull’acceleratore potrebbero presto rivelare come l’universo ha assemblato tutti i suoi protoni in primo luogo. A febbraio, i fisici del CERN, il Laboratorio europeo per la fisica delle particelle fuori Ginevra, hanno annunciato “prove convincenti” che erano riusciti a fondere un gran numero di protoni, creando per un istante il tipo di plasma quark-gluone che esisteva l’ultima volta un microsecondo dopo il Big Bang. Tutti i protoni intorno ora si sono congelati da quella zuppa. Al Brookhaven National Laboratory di Long Island a New York, un nuovo e più potente acceleratore è sempre impostato per cucinare zuppa di quark-gluoni su base giornaliera questa estate. Entro il prossimo anno i fisici potrebbero avere un’idea molto migliore di come fosse l’universo quando era un miliardo di volte più caldo della superficie del sole, e quark e gluoni—non ancora intrappolati all’interno di protoni, all’interno di nuclei, all’interno di atomi, dentro di noi—potrebbero giocare liberamente nei campi quantistici.
Cromodinamica quantistica, o QCD, la teoria che Wilczek ei suoi colleghi hanno inventato, è un tipo di teoria quantistica dei campi, e la teoria quantistica dei campi per principianti va qualcosa di simile. Innanzitutto, E = mc2, come scoprì Einstein. Cioè, l’energia può essere convertita in massa e viceversa. In secondo luogo, lo spazio vuoto non è vuoto: ciò che chiamiamo vuoto è in realtà ribollente di tutti i tipi di campi energetici, e l’energia si manifesta costantemente come particelle “virtuali” che spuntano all’esistenza e poi scompaiono di nuovo in qualcosa di meno di un trilionesimo di nanosecondo. “Non sarebbe molto utile per noi vedere questa struttura del vuoto”, dice Wilczek, che ora è professore all’Institute for Advanced Study di Princeton, dove vive nella vecchia casa di Einstein. “Non ci aiuterebbe a evitare le tigri dai denti a sciabola o a crescere i nostri figli, quindi l’evoluzione ci ha insegnato a ignorarlo. Ma è lì.”
Terzo (e ultimo nel nostro primer sulla teoria dei campi), quando due particelle subatomiche esercitano una forza l’una sull’altra, interagiscono attraverso uno di quei campi energetici, che essi stessi aiutano a creare. In particolare, si stanno scambiando una di quelle particelle virtuali – il quantum del campo quantico. Un elettrone, per esempio, ha una carica elettrica di -1, e che carica genera un campo elettrico. Se l’elettrone si muove, come sempre—ruotando sul suo asse e orbitando attorno al nucleo atomico—genera anche un campo magnetico; tutti i campi magnetici vengono infine creati spostando cariche elettriche. Quando due particelle cariche interagiscono-quando, ad esempio, un elettrone viene disperso da un protone in HERA—si scambiano un fotone virtuale, il quanto del campo elettromagnetico. La teoria che descrive tali interazioni, inventata da Richard Feynman, tra gli altri, è chiamata elettrodinamica quantistica, o QED.
In QED ogni singolo elettrone è circondato da una nuvola di particelle virtuali di breve durata-fotoni, ma anche altri elettroni accoppiati con positroni, i loro gemelli antimateria caricati positivamente. Quelle coppie di particelle brulicanti formano uno schermo che annulla parzialmente il campo di elettroni, almeno come visto dall’esterno dello schermo. Dall’interno dello schermo, d’altra parte, il campo sembra più forte di quanto ci si potrebbe aspettare, come una lampadina nuda una volta che un paralume è stato rimosso. “OK, questo è lo screening, ed è abbastanza facile da capire”, dice Wilczek. “Ciò che accade in QCD, all’interno del protone, è esattamente l’opposto: è antiscreening. È stata una sorpresa anche per noi, quindi non può essere troppo semplice. Ma siamo arrivati a capirlo in termini più elementari nel corso degli anni.”
I primi anni 1970, quando Wilczek ha fatto il suo lavoro pionieristico, è stato un momento inebriante per i fisici delle particelle. La loro aria è un po ‘ diversa da quella che il resto di noi respira, e QCD era in esso. Alcuni anni prima, i ricercatori dello Stanford Linear Accelerator Center avevano per la prima volta accelerato gli elettroni alle energie abbastanza alte da penetrare i protoni. Gli elettroni non sembravano immergersi nella poltiglia; sembravano rimbalzare pepite puntiformi all’interno dei protoni. I quark, che erano stati postulati nel 1964 come entità puramente matematiche, cominciarono a sembrare come se potessero davvero esistere all’interno dei protoni—e la questione di come il tutto fosse tenuto insieme divenne urgente ed eccitante. Mentre Wilczek e il suo consigliere, David Gross, stavano scoprendo la risposta a Princeton, un altro studente laureato di nome David Politzer stava scoprendo in modo indipendente ad Harvard. Gross era il vecchio del trio a 31 anni. “Siamo stati fortunati ad essere stati giovani allora”, ha scritto più tardi, ” quando abbiamo potuto passeggiare lungo le spiagge di recente apertura e raccogliere le molte belle conchiglie che esperimento aveva rivelato.”
Una shell era più strana del resto. Gli esperimenti di Stanford sembravano mostrare che la forza tra i quark—nota come forza forte—in realtà si indeboliva man mano che i quark si avvicinavano. E ‘ stato molto strano. Le forze che incontriamo quotidianamente, elettromagnetismo e gravità, agiscono esattamente in modo opposto: sono più forti a breve distanza dalla loro fonte e più deboli a quelle lunghe. Questo è il modo intuitivo; è così che dovrebbero essere le cose. In caso contrario, per esempio, magneti volerebbero fuori il frigorifero per aggrapparsi alla stufa seducente lontano—tranne che da lontano il frigorifero avrebbe cominciato a guardare bene a loro di nuovo. Eppure, debole come la forza forte era a distanze molto brevi, era abbastanza forte a quelle più lunghe da frustrare i fisici che avevano provato duramente e non sono riusciti a estrarre un quark da un protone. Nessuno era riuscito a osservarne uno in isolamento.
Wilczek e Gross andarono alla ricerca di una teoria quantistica dei campi che potesse spiegare una tale forza. In realtà Gross si aspettava che fallissero; voleva dimostrare che la teoria dei campi era un vicolo cieco. Ma un tipo di formalismo matematico, chiamato teoria di gauge non abeliana, non era ancora stato provato. Wilczek ha trascorso un anno e mezzo riempiendo un quaderno con calcoli di come le particelle avrebbero interagito attraverso un campo quantico non abeliano. Alla fine ha avuto una forza che ha ottenuto più forte da vicino, come una buona forza dovrebbe, come lordo previsto – ma a differenza di quanto era stato misurato a Stanford. Wilczek ha controllato i lunghi calcoli più e più volte. Poi Gross ha individuato un singolo segno più nell’equazione di campo che avrebbe dovuto essere un meno. Quel cambiamento segno cambiato tutto: QCD è nato.
All’interno di un protone, secondo QCD, i quark sono “asintoticamente liberi”, come suggerivano i risultati di Stanford, il che significa che si muovono quasi come se non ci fosse alcuna forza tra di loro. Ma la libertà è un’illusione: un quark non può mai sfuggire ai suoi partner. Man mano che la distanza tra loro aumenta, aumenta anche la forza, e così un quark ribelle viene inevitabilmente frenato, come un bungee jumper. Ecco perché nessuno ha mai o mai vedrà un quark solitario, che, quando ci pensi, è profondamente strano. “Il protone ha parti, ma non può essere smontato”, afferma Alvaro de Rújula, fisico teorico del CERN. “Puoi tenere un elettrone in mano. Non puoi tenere un quark o un gluone in mano.”
La stranezza viene dai gluoni. La cromodinamica quantistica, la forza che tiene insieme i protoni, è modellata strettamente sull’elettrodinamica quantistica, la forza che tiene insieme gli atomi, ma i gluoni cambiano lo screening in antiscreening, da intuitivo a bizzarro. Nella cromodinamica quantistica, i quark portano un nuovo tipo di carica, chiamato colore—che non ha nulla a che fare con il colore ordinario—e quelle cariche generano un campo di colore (da qui il nome cromodinamica). Il quantum del campo, e il trasmettitore della forza forte, è il gluone. Come il fotone che trasmette la forza elettromagnetica, un gluone è senza massa. Ma a differenza del fotone, viene caricato un gluone. Genera il proprio campo di colore, esercita la propria forza forte e ineratta con altri gluoni. Conduce una vita ricca.
Il campo di colore, come quello elettromagnetico, può essere pensato come avente due componenti—chiamarli colore elettrico e colore magnetico. Una carica di colore in rapido movimento-i gluoni si muovono alla velocità della luce-genera un forte campo magnetico di colore. I gluoni sono quindi come piccoli magneti a dipolo. I gluoni che circondano un quark si allineano parallelamente al suo campo di colore, come farebbero i magneti, e così invece di indebolirlo, come le particelle virtuali fanno il campo di un elettrone, lo rafforzano. Essi antiscreen il quark, amplificando il suo campo. Qui l’analogia della lampada non funziona più-il quark è una lampadina fioca che in qualche modo diventa più luminosa al di fuori dell’ombra.
Questo è ciò che tiene insieme un protone, ed è ciò che gli conferisce una bizzarra struttura interna. Se un quark riesce a entrare nella nuvola di gluoni di un altro, ci si sente solo una debole attrazione. Ma più si allontana, più si sente l’aggiunta di gluoni-gluoni emessi dai quark, gluoni emessi da altri gluoni, gluoni che si materializzano in coppie virtuali quark-antiquark, che si scambiano più gluoni. “I quark innescano il tutto, ma una volta avviato, è un processo molto potente, perché i gluoni interagiscono”, afferma Wilczek. “È una sorta di processo in fuga.”
Nel 1974, De Rújula, Politzer, Wilczek e pochi altri fisici proposero questa gluonizzazione del protone e suggerirono come un giorno potesse essere misurata. Due decenni dopo, gli scienziati di HERA hanno iniziato a fare proprio questo. HERA è un acceleratore a forma di anello, quasi quattro miglia intorno, in cui gli elettroni che fanno 47.000 giri al secondo vengono schiacciati in protoni che vanno dall’altra parte. Maggiore è l’energia della collisione, più profondo un elettrone può penetrare in un protone prima di essere deviato. Misurando come l’elettrone viene deviato in milioni di collisioni, i fisici possono raccogliere informazioni sui componenti interni che stanno facendo la deflessione. È come scattare una foto dell’interno di un protone, Wilczek dice, pixel per pixel—e i risultati si adattano alla proposta che lui ei suoi colleghi hanno fatto decenni fa.
“È solo al livello più crudo che un protone è fatto di tre quark”, dice Wilczek. “Quando guardi da vicino e entri in queste nuvole e inizi a vedere la struttura di base, vedi che è principalmente colla.”
Il che rende ancora più interessante la domanda su come l’universo sia mai riuscito a progettare una cosa del genere.
Visitare un laboratorio di fisica delle particelle significa essere colpiti da un contrasto di scala-tra la piccolezza degli oggetti studiati e l’enormità delle risorse—persone, macchinari, potenza di calcolo, energia elettrica, spazio, denaro—che gli vengono dedicate. (Se tale infrastruttura sembra un prezzo elevato da pagare per le informazioni sull’origine dell’universo, si consideri che il Web—progettato per aiutare gli scienziati a comunicare enormi file di dati—è un frutto del CERN.) Il CERN consuma quasi la stessa elettricità della città di Ginevra, la sua vicina. Il più grande acceleratore del CERN, il Large Electron-Positron collider, occupa un tunnel circolare 17 miglia intorno. Nei prossimi anni sarà smantellato e sostituito da un acceleratore ancora più potente, il Large Hadron Collider, che ricreerà l’energia che esisteva un trilionesimo di secondo dopo il Big Bang. (Gli adroni sono particelle nucleari, come i protoni, che sono fatti di quark e gluoni.) Per fare un plasma di quark-gluoni, non è necessario andare così indietro nel tempo – il primo microsecondo lo farà-quindi è necessario un acceleratore meno potente.
Ancora, il Super Proton Synchrotron al CERN è più di quattro miglia intorno. È alloggiato in un tunnel che si trova a 300 piedi sottoterra, e in quel tunnel, all’interno di un tubo di alluminio largo pochi centimetri, i nuclei di piombo sono accelerati da magneti al 99,9% della velocità della luce. Essi sono poi guidati fino alla superficie e in un immenso, sala factorylike, 300 metri di lunghezza. Il tubo di alluminio si biforca in diversi rivelatori, dove i nuclei di piombo-ognuno composto da 208 protoni e neutroni, i gemelli elettricamente neutri di protoni-si rompono in un pezzo di lamina di piombo che è solo poche centinaia di micrometri di spessore.
Quello che succede dopo, in teoria, è semplice: La collisione crea una palla di fuoco abbastanza intensa da fondere protoni e neutroni. I quark e i gluoni circolano liberamente, come fanno in profondità all’interno di un protone, ma ora su una regione che è larga molti protoni, formando un plasma di quark-gluoni. “Se si esegue il film del Big Bang all’indietro, diventa sempre più denso, più caldo e più caldo”, afferma Reinhard Stock dell’Università di Francoforte, che ha contribuito a progettare uno dei rivelatori del CERN, ” e sappiamo che tutte le strutture legate si rompono quando la loro densità di energia supera la loro energia di legame.”La cromodinamica quantistica richiede che un plasma di quark-gluoni esista a una certa densità di energia, “ma devi dimostrare che esiste”, afferma Stock. “Ed è per questo che siamo stati qui negli ultimi 15 anni.”
Il problema è che la palla di fuoco di laboratorio si espande rapidamente e si raffredda rapidamente, proprio come deve aver fatto quella primordiale. Il plasma sopravvive solo per 10-22 di secondo prima che quark e gluoni si condensino nuovamente in protoni e altri adroni. Ciò che i fisici effettivamente rilevano è uno spruzzo di migliaia di tali particelle che escono dal retro della lamina di piombo. Nel rivelatore di Stock, le particelle volano attraverso una scatola di gas argon di dimensioni ridotte, facendo cadere gli elettroni dagli atomi di argon. I contatori registrano gli elettroni e i computer ricostruiscono le tracce di particelle, che rivelano la loro identità. Una volta che i fisici hanno analizzato il diluvio di dati—ogni collisione produce 10 megabyte di dati, e Stock ei suoi colleghi hanno registrato milioni di collisioni—possono imparare qualcosa sulla palla di fuoco che produce plasma.
Negli ultimi anni, i rilevatori di Stock e altri al CERN hanno confermato che le palle di fuoco sono abbastanza calde e abbastanza dense da produrre plasma di quark-gluoni. Hanno trovato un eccesso di particelle contenenti quark ” strani “e una carenza di quelli contenenti”fascino” —entrambi sono effetti collaterali previsti dalla cromodinamica quantistica. (I quark strani e i quark di fascino sono tipi esotici che non si trovano nelle particelle ordinarie.) Tutto ciò equivale a un caso potente che il CERN abbia creato plasma di quark-gluoni-ma non equivale a prova. “Il problema è che non sono stati in grado di osservarlo direttamente”, afferma Tom Ludlam, fisico del Brookhaven National Laboratory.
Il relativistico Heavy Ion Collider di Brookhaven, che dovrebbe iniziare a fare fisica questa estate, colliderà nuclei d’oro a 10 volte l’energia possibile al CERN e quindi raggiungerà temperature che permetteranno a un plasma di quark-gluoni di sopravvivere un minuto più a lungo. Mentre i quark si raffreddano da un trilione di gradi, dovrebbero emettere radiazioni di calore, sotto forma di fotoni di raggi gamma. Questo è il segnale più diretto possibile dal plasma di quark-gluoni, e il collisore di Brookhaven dovrebbe essere in grado di rilevarlo. Puoi pensarlo come il lampo di luce che l’universo emise quando tutti i suoi protoni nacquero.
Anche gli scienziati di Brookhaven non saranno in grado di rispondere finalmente alla domanda su dove provengono i protoni. Un mistero centrale rimarrà. All’interno di un protone, come i gluoni vanno e vengono, come i quark e gli antiquark vanno e vengono nei loro innumerevoli sciami, un numero rimane costante: ci sono sempre tre quark in più di quanti non ci siano antiquark. Questi sono i quark che,” al livello più crudo”, come dice Wilczek, costituiscono il protone. Perché sono materia e non antimateria? Perché l’universo è fatto di materia e non di antimateria? La risposta va oltre la cromodinamica quantistica. Un leggero squilibrio tra quark e antiquark, se Wilczek e altri teorici hanno ragione, era già presente nel plasma primordiale di quark-gluoni. Comprendere la sua origine richiederà acceleratori che raggiungano energie ancora più elevate, come il Large Hadron Collider del CERN. Richiederà nuovi tipi di teorie-alcune delle quali, sfortunatamente, potrebbero richiedere che iniziamo a pensare alle particelle come piccoli anelli di corda e all’universo come ad avere molte più dimensioni delle quattro che conosciamo e amiamo.
Man mano che la fisica si evolve, l’immagine del protone che la cromodinamica quantistica ci ha dato può sembrare rassicurante concreta e solida—sebbene solido sia proprio ciò che un protone non è. Volare in uno – se potete immaginare di farlo, cavalcando la forza forte in una sorta di aliante subnucleare-sarebbe come cadere attraverso l’atmosfera terrestre. L’atmosfera superiore del protone è un sottile cirro di coppie virtuali quark-antiquark; formano uno scudo per ciò che si trova sotto. Mentre cadi davanti a loro, l’atmosfera diventa sempre più densa, le nuvole sempre più spesse. Il tuo aereo viene colpito con crescente frequenza e forza da lampi di fulmini colorati—i gluoni. E poi, forse quattro quinti del percorso attraverso la discesa, si emerge dalla copertura nuvolosa. La corsa è più tranquilla ora. I fulmini non sono scomparsi; si sono fusi in un foglio continuo, e in qualche modo ti senti subito leggero e immune da tutte le forze. Sei vicino al centro del protone ora, completamente intrappolato mentre cadi verso l’asintoto della libertà assoluta, e stai trovando . . . non molto.
“Più si guarda, più si scopre che il protone si sta dissolvendo in molte particelle, ognuna delle quali trasporta pochissima energia”, afferma Wilczek. “E gli elementi della realtà che hanno innescato il tutto, i quark, sono queste piccole piccole cose nel mezzo della nuvola. Infatti, se si segue l’evoluzione a distanze infinitamente brevi, la carica di innesco va a zero. Se studi davvero le equazioni, diventa quasi mistico.”