Cromodinamica quantistica

La Cromodinamica quantistica (QCD) è una teoria fisica che descrive una delle forze fondamentali: l'interazione forte. È stata proposta per la prima volta nei primi anni Settanta da Frank Wilczek e David Gross. Usa la teoria quantistica dei campi per descrivere l'interazione tra quark e gluoni.

Secondo questa ipotesi, si applica una teoria di gauge con gruppo di simmetria SU(3), in cui i quark sono delle triplette appartenenti a questo gruppo. La QCD è prevalentemente una teoria non-perturbativa, a causa di effetti come il confinamento, i condensati fermionici e gli istantoni. È una componente fondamentale del noto Modello Standard, l'apparato teorico con il quale i fisici spiegano la maggior parte dei fatti sperimentali osservati negli acceleratori di particelle.

La maggior parte del lavoro teorico sulla QCD è fatto con modelli reticolari tridimensionali, e intense sessioni di simulazione al computer. Ad alte energie invece, gli effetti non perturbativi diminuiscono e la QCD può essere trattata come l'elettrodinamica quantistica, purtroppo però gli aspetti più importanti per la fisica moderna sono quelli a basse energie.

Formalismo matematico

I numeri quantici associati a questa teoria (e che possono essere associati alle varie particelle) sono il sapore e il colore: di quest'ultimo se ne associano tre differenti ai quark e otto ai gluoni.

La lagrangiana che descrive le interazioni tra quark e gluoni è:

L_{QCD}=-{\frac {1}{4}}F_{\mu \nu }^{(a)}F^{(a)\mu \nu }+i\sum _{q}{\bar {\psi }}_{q}^{i}\gamma ^{\mu }(D_{\mu })_{ij}\psi _{q}^{j}-\sum _{q}m_{q}{\bar {\psi }}_{q}^{i}\psi _{qi}

con

F_{\mu \nu }^{(a)}=\partial _{\mu }A_{\nu }^{a}-\partial _{\nu }A_{\mu }^{a}-g_{s}f_{abc}A_{\mu }^{b}A_{\nu }^{c}

(D_{\mu })_{ij}=\delta _{ij}\partial _{\mu }+ig_{s}\sum _{a}{\frac {\lambda _{ij}^{a}}{2}}A_{\mu }^{a}

dove g_s è la costante di accoppiamento della QCD e f_abc sono le costanti di struttura dell'algebra SU(3). I campi ψⁱ_q(x) sono spinori di Dirac associati ciascuno dei campi di quark a colore i e sapore q, mentre gli A^a_μ(x) sono i campi di Yang-Mills (i gluoni).

Infine i coefficienti λ^a_ij sono delle costanti di accoppiamento in forma matriciale. Tali matrici obbediscono alla seguente relazione di commutazione:

\left[\lambda ^{a},\lambda ^{b}\right]=if^{abc}\lambda ^{c}

Applicazioni

La QCD, nata per spiegare il comportamento di protoni e neutroni nelle collisioni da un semplice modello a partoni, può applicarsi in vari ambiti e a varie interazioni:

Ulteriori informazioni

La Cromodinamica Quantistica, o QCD dal termine inglese “Quantum ChromoDynamics”, è la teoria che descrive una delle interazioni fondamentali e cioè la forza nucleare forte. Essa descrive l’interazione tra quark e gluoni e prende la forma di una teoria quantistica dei campi di un tipo speciale detta teoria di gauge non-abeliana. La QCD costituisce un’importante parte del modello standard delle particelle fisiche. La QCD possiede due proprietà peculiari:

Libertà asintotica che significa che nelle reazioni ad altissima energia, i quark e i gluoni interagiscono molto debolmente. Che la QCD predica questo comportamento è stato scoperto nei primi anni ’70 da David Politzer, Frank Wilczek e David Gross. Per questi studi hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 2004. Una gran parte dell’evidenza sperimentale della QCD è stata dimostrata nel corso degli anni.
Confinamento, che significa che le forze tra i quark non diminuiscono quando vengono allontanati. A causa di questo comportamento ci vorrebbe un’energia infinita per separare due quark; essi sono per sempre confinati all’interno degli adroni come il protone ed il neutrone. Sebbene non vi siano prove analitiche, il sconfinamento viene largamente ritenuto valido perché esso spiega il costante fallimento delle ricerche di quark liberi ed inoltre è facilmente dimostrato nella QCD su reticolo (in inglese: lattice QCD).

Terminologia

Il termine quark è stato coniato da Murray Gell-Mann ispirato dalla frase “Three quarks for Muster Mark” che si trova nel romanzo Finnegan’s Wake di James Joyce. I tre tipi di carica nella QCD (al contrario di quelli nella QED o elettrodinamica quantistica) vengono comunemente denominati carica di colore; i tre colori sono il rosso, il verde ed il blu e non hanno nulla a che vedere con i colori percepiti dall’occhio umano; si tratta semplicemente di una terminologia di fantasia dato che in qualche modo bisognava pur chiamare questo tipo di “carica”. Dal momento che la teoria della carica elettrica ha preso il nome di “elettrodinamica”, il termine greco “croma” (Χρώμα cioè colore) è stato applicato alla teoria della carica di colore cioè “cromodinamica”.

Cenni Storici

Con l’invenzione della camera a bolle e della camera a scintillazione negli anni ’50, fu scoperto un numero sempre maggiore di particelle fisiche sperimentali denominate adroni. Apparve subito chiaro che un così elevato numero di particelle non potevano essere tutte fondamentali. Le particelle, in primo luogo, furono classificate in base alla carica ed all’isospin (o spin isotopico o spin isobarico) che è una quantità fisica matematicamente analoga allo spin ed introdotta da Werner Heisemberg; successivamente, nel 1953, furono classificate in base alla carica di stranezza (che è un numero quantico necessario per descrivere la breve vita di certe particelle subatomiche) proposta da Murray Gell-Mann e Kazuhiko Nishijima. Per capire meglio tutta la questione, gli adroni furono classificati in gruppi aventi simili proprietà e massa usando la cosiddetta “Eightfold way” (la via dell’ottetto) introdotta nel 1961 da Gell-Mann e Yuval Ne’eman, una teoria che organizza i barioni ed in mesoni in forma di ottetti. Gell-Mann e Gorge Zweig proposero nel 1963 che la struttura dei gruppi potesse essere spiegata dall’esistenza di tre sapori delle particelle più piccole che si trovano all’interno degli adroni: i quark. A questo punto una particella, la Δ++ , rimaneva misteriosa; nel modello a quark essa risulta composta da tre quark up con spin paralleli. Comunque, poiché i quark sono fermioni, questa combinazione sembra violare il principio di esclisione di Pauli. Nel 1965 Moo-Young Han e Yoichiro Nambu risolsero il problema porponendo che i quark possedessero un grado di libertà di gauge SU(3) aggiuntivo, in seguito chiamata carica di colore. Essi notarono che i quark possono interagire per via di un ottetto di bosoni vettori di gauge: i gluoni. Poiché la ricerca di quark liberi era costantemente fallita, si pensò che i quark fossero semplicemente dei costrutti matematici inventati ad hoc e non delle particelle realmente esistenti. Richard Feynman argomentò che esperimenti ad alta energia mostravano che i quark erano reali: egli li chiamò partoni (perché erano parte degli adroni). James Bjorken propose che certe relazioni potessero persistere nello scattering profondamente anelastico (diffusione profondamente anelastica) di elettroni e protoni, cosa che fu dimostrata con spettacolarità in esperimenti condotti nel 1969 presso lo SLAC (Stanford Linear Accelerator Center). Sebbene lo studio dell’interazione forte rimanga a tutt’oggi non del tutto chiara, la scoperta della libertà asintotica (proprietà di alcune teorie di gauge secondo cui le interazioni tra alcune particelle, ad esempio i quark, diventano arbitrariamente deboli a distanza molto basse) ad opera di David Gross, David Politzer e Frank Wilczek ha permesso di effettuare previsione precise riguardo i risultati di molti esperimenti ad alte energie utilizzando le tecniche della teoria perturbativa della meccanica quantistica. L’esistenza dei gluoni è stata fatta nel 1979 durante esperimenti con l’acceleratore HERA di Amburgo (Germania). Questi esperimenti sono divenuti sempre più precisi culminando nella conferma della QCD perturbativa ad un livello di errore di pochi punti percentuali per opera del LEP (Large Electron-Positron collider) del CERN di Ginevra. All’estremo opposto della libertà asintotica vi è il confinamento”. Poiché la forza tra le cariche di colore non diminuisce con la distanza, si ritiene che i quark ed i gluoni non possano mai essere separati dagli adroni. Questo postulato della teoria è stato verificato per mezzo di calcoli della QCD su reticolo, ma non è stato matematicamente provato. Uno dei Millenium Prizes annunciato dal Clay Mathematics Institute richiede al candidato di produrre questa prova. Altri aspetti dell QCD non-perturbativa sono l’esplorazione di fasi della materia dei quark (quark matter), incluso il plasma quark-gluoni.

La teoria

Alcune definizioni

Ogni aspetto teorico della fisica delle particelle è basato su certe simmetrie della natura la cui esistenza è dedotta dalle osservazioni sperimentali. Le simmetrie possono essere:

Simmetria locale, che è un tipo di simmetria che agisce indipendentemente in ogni punto dello spazio-tempo. Tutte le simmetrie di questo tipo si basano sulle teorie di gauge e richiedono l’introduzione di un proprio bosone di gauge.
Simmetrie globali, che sono simmetrie i cui calcoli devono essere applicate contemporaneamente in ogni punto dello spazio-tempo.

La QCD è una teoria di gauge del gruppo di simmetria SU(3) che si ottiene utilizzando la carica di colore per definire una simmetria locale.

Poiché l’interazione forte non discrimina tra differenti sapori di quark, la QCD ha una simmetria di sapore approssimativa che è rotta dalla differente massa dei quark.

Vi sono ulteriori simmetrie globali la cui definizione richiede l’introduzione del concetto di chiralità che si distingue in sinistrorsa e destrorsa. Ad esempio se lo spin di una particella ha direzione uguale alla direzione del moto della particella stessa esa è detta chiralità sinistrorsa mentre se ha direzione opposta è detta chiralità destrorsa.

la simmetria chirale coinvolge le trasformazioni indipendenti di questi due tipi di particelle.
la simmetria vettoriale (detta anche simmetria diagonale) è quella secondo cui la stessa trasformazione è applicata alle due chiralità.
la simmetria assiale è quella secondo cui una trasformazione si applica alle particelle sinistrorse e l’inverso a quelle destrorse.

I gruppi di simmetria

Il gruppo di colore SU(3) corrisponde alla simmetria locale la cui misurazione dà maggior credito alla QCD. La carica elettrica definisce una rappresentazione della simmetria locale di gruppo U(1) che viene misurato per determinare la QED: questo è un gruppo Abeliano. Se si considera una variante della QCD con sapore N_f di quark privi di massa, si ottiene un gruppo simmetrico di sapore globale (chirale) $SU_{L}(N_{f})\times SU_{R}(N_{f})\times U_{B}(1)\times U_{A}(1)$ . La simmetria chinale viene spontaneamente rotta dall QCD vacuum al vettore (L+R) $SU_{V}(N_{f})$ con la formazione di un condensato chirale. La simmetria vettoriale $U_{B}(1)$ corrisponde al numero barionico dei quark ed è una simmetria esatta. La simmetria assiale $U_{A}(1)$ è esatta nella teoria classica ma rotta nella teoria dei quanti la qual cosa è denominata una anomalia. Le configurazioni del campo gluonico chiamati istantoni sono strettamente correlati a questa anomalia.

Nota bene: In molte applicazioni della QCD si possono ignorare i sapori forti (charm, top e bottom). In questo caso il reale gruppo di sapore è spesso SU(3), che non deve essere confuso con il gruppo di colore. Nella QCD il gruppo di colore fa parte di una simmetria locale e da quel momento viene misurato. Il gruppo di sapore non viene misurato. La via degli Ottetti (Eightfold way) si basa sul gruppo di sapore e non considera la simmetria locale che dà la QCD.

I campi

I quark sono fermioni aventi massa e spin 1/2 che trasportano una carica di colore la cui misurazione è il contenuto della QCD. I quark sono rappresentati dal campo di Dirac nella rappresentazione fondamentale 3 del gruppo di gauge SU(3). Essi sono anche dotati di una carica elettrica (-1/3 o 2/3) e partecipano all’ interazione debole come parte di un doppio isospin. Essi possiedono numeri quantici che includono il [[[numero barionico]] (che è 1/3 per ogni quark), l’ipercarica ed uno dei numeri quantici di sapore. I gluoni sono bosoni con spin 1 ed anch’essi sono portatori di carica di colore cosicché si posizionano nella rappresentazione aggregata 8 del SU(3). Non possiedono carica elettrica, non partecipano ai processi di interazione debole e non hanno sapore. Si posizionano nella rappresentazione singola 1 di tutti questi gruppi simmetrici.

Ogni quark ha il suo anti-quark. La carica di ogni anti-quark è esattamente l’opposto della carica del corrispondente quark.

QCD (cromodinamica quantistica)

La Lagrangiana della QCD (considerata senza colore, sapore e spin) assomiglia esattamente a quella della QED (elettrodinamica quantistica):

L=-{\frac {1}{4}}F_{\mu \nu }F^{\mu \nu }+{\overline {\psi }}(i\gamma _{\mu }D^{\mu }-m)\psi

dove F rappresenta il tensore del campo del gluone, ψ il campo del quark e D la derivativa covariante. Parte di questo contenuto entra nelle regole di Feynman che dice che tutti i processi che si svolgono all’interno della teoria possono essere ricondotti nelle interazioni elementari (dette vertici): qqg, ggg e gggg. Un quark può emettere (o assorbire) un gluone, un gluone può emettere (o assorbire) un altro gluone e due gluoni possono interagire direttamente tra loro. Nella QCD può verificarsi soltanto il primo tipo di vertice (vale a dire di interazione elementare) dal momento che i fotoni non hanno carica.

Metodologia

L’ulteriore analisi del contenuto di questa teoria è alquanto complicato. Sono state proposte diverse tecniche per lavorare con la QCD. Alcune di queste sono di seguito descritte.

QCD perturbativa

La QCD perturbativa è un tipo di approccio che si basa sulla libertà asintotica la quale permette di usare la teoria perturbativa in esperimenti ad energie estremamente elevate. Sebbene limitato nelle possibilità, questo approccio è stato osservato nei test più precisi della QCD.

QCD su reticolo

Tra gli approcci non perturbativi alla QCD, il più conosciuto è la QCD su reticolo (in inglese lattice QCD). Questo metodo utilizza un sistema discreto (cioè non continuo) di punti spazio-temporali (chiamato reticolo) che riduce il modello di intergali analiticamente non calcolabili della teoria del continuum (spazio-temporale) ad una serie di calcoli numerici estremamente difficili per i quali è necessario utilizzare supercomputer. Sebbene questo sia un metodo lento ed impegnativo, esso ha il vantaggio di poter essere concretamente applicato potendo così accedere a certi aspetti della teoria che sarebbero altrimenti impenetrabili.

Espansione 1/N

Uno schema approssimativo ben conosciuto, l’espansione 1/N, prende origine dalla premessa che il numero di colori è infinito ed esegue una serie di correzioni che lo fanno considerare come se non lo fosse. Fino ad ora è stata la fonte dell’analisi qualitativa profonda piuttosto che un metodo per la predizione quantitativa. Una variante moderna include l’approccio AdS/CFT.

Teorie efficaci

Per problemi specifici, alcune teorie possono essere ricondizionate al punto di fornire risultati qualitativamente corretti. Nel migliore dei casi, questo può essere ottenuto come un’espansione sistematica di alcuni parametri della Lagrangiana della QCD. Tra i metodi migliori e più efficaci si possono ora considerare la teoria della perturbazione chirale (che considera la massa del quark quasi a zero) e la teoria efficace del quark pesante (che considera invece la massa del quark quasi infinita).

Test sperimentali

Il concetto di sapore dei quark è stato introdotto per spiegare le proprietà degli adroni durante lo sviluppo del modello a quark. Il concetto di colore si è reso necessario a causa della varietà di Δ++. Questo è già tato considerato nella sezione Storia del presente capitolo. La prima conferma che i quark sono reali elementi costitutivi degli adroni è stata ottenuta in esperimenti presso lo SLAC. La prima conferma dell’esistenza dei gluoni è stata ottenuta con l’acceleratora HERA di Amburgo. Sono in corso ottimi test quantitativi per dimostrare ulteriormente la teoria perturbativa della QCD (ad esempio la produzione di bosoni vettori, la produzione di quark pesanti, la diffusione (scattering) profondamente anelastica, ecc.).

I test dimostrativi della teoria non-perturbativa della QCD sono inferiori di numero perchè le predizioni sono molto difficili da ottenere. Il migliore di questi è probabilmente il test dell'accoppiamento della QCD come provato mediante il computo del reticolo degli spettri del quarkonium pesante [1]. Vi sono dati recenti riguardanti la massa del mesone pesante B_c [2]. Ulteriori test non perturbativi sono attualmente in svolgimento al meglio del 5%. Continua il lavoro sulle masse e sui fattori forma degli adroni e gli elementi di matrice debole sono promettenti candidati per futuri test quantitativi. L’intero argomento della matrice di quark e del plasma quark-gluoni è un campo di test non-perturbativi per la QCD che ancora rimane da approfondire appropriatamente.