Cosa succede in un protone? Quark Math ha ancora bisogno di risposte


Gli oggetti sono fatti di atomi e atomi sono anche la somma delle loro parti: elettroni, protoni e neutroni. Tuffati in uno di quei protoni o neutroni, tuttavia, e le cose si fanno strane. Tre particelle chiamate quark rimbalzano avanti e indietro quasi alla velocità della luce, scattate da stringhe interconnesse di particelle chiamate gluoni. Stranamente, la massa del protone deve in qualche modo derivare dall'energia delle corde elastiche di gluone, dal momento che i quark pesano molto poco e non fanno nulla.

Storia originale ristampato con il permesso di Quanta Magazine, una pubblicazione editoriale indipendente del Fondazione Simons la cui missione è migliorare la comprensione pubblica della scienza, coprendo gli sviluppi della ricerca e le tendenze in matematica e nelle scienze fisiche e della vita.

I fisici hanno scoperto questa strana immagine di quark-gluon negli anni '60 e l'hanno abbinata a un'equazione negli anni '70, creando la teoria della cromodinamica quantistica (QCD). Il problema è che, sebbene la teoria sembri accurata, è straordinariamente complicata dal punto di vista matematico. Di fronte a un compito come il calcolo di come tre quark wispy producono il protone enorme, QCD semplicemente non riesce a produrre una risposta significativa.

"È allettante e frustrante", ha dichiarato Mark Lancaster, un fisico di particelle con sede presso l'Università di Manchester nel Regno Unito. "Sappiamo assolutamente che quark e gluoni interagiscono tra loro, ma non possiamo calcolare" il risultato.

Un premio in matematica da un milione di dollari attende chiunque sia in grado di risolvere il tipo di equazione utilizzata in QCD per mostrare come si formano entità enormi come i protoni. In mancanza di tale soluzione, i fisici delle particelle hanno sviluppato soluzioni alternative ardue che forniscono risposte approssimative. Alcuni deducono sperimentalmente l'attività dei quark ai collettori di particelle, mentre altri sfruttano i supercomputer più potenti del mondo. Ma queste tecniche di approssimazione sono recentemente entrate in conflitto, lasciando i fisici incerti su ciò che la loro teoria prevede e quindi meno in grado di interpretare segni di particelle o effetti nuovi e non previsti.

Per capire cosa rende quark e gluoni tali beffardi matematici, considera quanta macchina matematica impiega nel descrivere anche particelle ben educate.

Un umile elettrone, ad esempio, può emettere brevemente e quindi assorbire un fotone. Durante la breve vita di quel fotone, può dividersi in una coppia di particelle materia-antimateria, ognuna delle quali può impegnarsi in ulteriori acrobazie, all'infinito. Finché ogni singolo evento termina rapidamente, la meccanica quantistica consente alla raffica combinata di attività "virtuali" di continuare indefinitamente.

Negli anni '40, dopo una considerevole lotta, i fisici svilupparono regole matematiche che potevano accogliere questa bizzarra caratteristica della natura. Lo studio di un elettrone implicava la suddivisione del suo entourage virtuale in una serie di possibili eventi, ciascuno corrispondente a un disegno agitato noto come diagramma di Feynman e un'equazione corrispondente. Un'analisi perfetta dell'elettrone richiederebbe una serie infinita di diagrammi – e un calcolo con infiniti passi – ma fortunatamente per i fisici, gli schizzi più bizantini di eventi più rari finirono per essere relativamente insignificanti. Troncare la serie dà risposte abbastanza buone.

La scoperta dei quark negli anni '60 ha rotto tutto. Pelando i protoni con gli elettroni, i ricercatori hanno scoperto le parti interne del protone, legate da una nuova forza. I fisici hanno corso per trovare una descrizione in grado di gestire questi nuovi elementi costitutivi e sono riusciti a racchiudere tutti i dettagli dei quark e la "forza forte" che li lega in un'equazione compatta nel 1973. Ma la loro teoria della forza forte, la cromodinamica quantistica , non si sono comportati nel solito modo, e nemmeno le particelle.

I diagrammi di Feynman trattano le particelle come se interagissero avvicinandosi a distanza, come palle da biliardo. Ma i quark non si comportano così. Il diagramma di Feynman che rappresenta tre quark che si uniscono a distanza e si legano l'uno all'altro per formare un protone è un semplice "cartone animato", secondo Flip Tanedo, un fisico di particelle dell'Università della California, a Riverside, perché i quark sono così fortemente legati che non hanno un'esistenza separata. La forza della loro connessione significa anche che l'infinita serie di termini corrispondenti ai diagrammi di Feynman cresce in modo indisciplinato, piuttosto che svanire abbastanza rapidamente da consentire una facile approssimazione. I diagrammi di Feynman sono semplicemente lo strumento sbagliato.

La forza forte è strana per due motivi principali. In primo luogo, mentre la forza elettromagnetica comporta solo una varietà di carica (carica elettrica), la forza forte coinvolge tre: cariche di "colore" soprannominate rosso, verde e blu. Ancora più strano, il portatore della forza forte, soprannominato il gluone, è a sua volta carico di colore. Quindi, mentre i fotoni (elettricamente neutri) che comprendono i campi elettromagnetici non interagiscono tra loro, raccolte di gluoni colorati si uniscono in stringhe. "Questo guida davvero le differenze che vediamo", ha detto Lancaster. La capacità dei gluoni di inciampare su se stessi, insieme alle tre cariche, rende forte la forza forte, così forte che i quark non possono sfuggire alla reciproca compagnia.

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