La cromodinamica quantistica

Antefatti alla cromodinamica quantistica.

Frank Wilczek , premio Nobel per la Fisica, si occupa di cromodinamica quantistica  e afferma che l'Universo non è più quello di un tempo e non è ciò che sembra.

In viaggio nel cuore della struttura della materia e delle sue componenti elementari , come elettroni e quark, ci si pone interrogativi su cosa è, ad esempio, la massa. La prima definizione scientifica della massa risale al 1687 quando Newton, affermava che la massa è una sorta di misura della densità di materia contenuta nei corpi. Oggi, le moderne conoscenze sul concetto di massa sono alquanto più complicate rispetto alla definizione data da Newton e sono descritte dal modello standard  mediante le leggi della meccanica quantistica .     

Per ogni tipo di particella elementare, o composta, possiamo scrivere l'equazione di Newton, F = ma, che correla la forza, la massa e l'accelerazione. Tuttavia, la massa, come di solito la intendiamo, va al di là dell'equazione di Newton. Per esempio, la teoria della relatività speciale  prevede che le particelle senza massa viaggiano nel vuoto alla velocità della luce e che invece le particelle che hanno massa si muovono più lentamente e perciò con una velocità che può essere calcolata se conosciamo la loro massa. Le particelle elementari hanno una sorta di massa intrinseca, detta massa a riposo , e quelle che hanno massa a riposo nulla sono le particelle senza massa, come ad esempio i fotoni. Per una particella complessa, come il protone, la massa a riposo dei costituenti e la loro energia cinetica , relativa al moto, e l'energia potenziale , relativa alle interazioni, contribuiscono alla massa totale della particella. E' noto che massa ed energia sono correlate così come descritto dalla famosa equazione di Einstein, E = mc².  Un esempio di come l'energia contribuisce alla massa si può vedere nella forma di materia a noi più familiare costituita dai protoni e dai neutroni che formano i nuclei atomici, i pianeti, le stelle, gli esseri viventi e tutto ciò che vediamo. Queste particelle costituiscono circa il 4% circa della massa-energia presente nell'Universo. Il modello standard ci dice che i protoni e i neutroni sono composti da particelle più elementari, chiamate quark, che sono a loro volta legate grazie all'interazione di particelle senza massa chiamate gluoni . Sebbene i quark vi si muovono all'interno, noi osserviamo il protone come un oggetto coerente che ha una massa intrinseca, data dalla somma delle masse e delle energie dei suoi costituenti. Perciò il modello standard ci permette di calcolare le masse dei protoni e dei neutroni dall'energia cinetica dei loro costituenti. Dunque, il 4% circa dell'intero Universo è composto dall'energia del moto dei quark e dei gluoni che sono presenti nei protoni e neutroni e che costituiscono la materia ordinaria che conosciamo. E tutto il resto cos'è? Finora non lo sappiamo e l'ignoranza dei fisici su questo argomento ha fatto nascere termini come materia oscura o energia oscura che costituiscono insieme il 96% di ciò di cui è fatto il nostro Universo. La fisica contemporanea raccontata da uno dei suoi massimi esponenti, indaga sulla struttura della materia, nella sua più profonda essenza,per fornirci un quadro coerente e un nuovo mondo soggetto a verifiche sperimentali solo quando l'LHC entrerà, pienamente in funzione.    

Cromodinamica quantistica è la teoria che descrive la forza nucleare forte,  cioè come si legano quark e gluoni in protoni e neutroni, e come questi formano i nuclei. La simulazione cromodinamica quantistica sui computer è un modo per esaminare il tipo di complessità che deriva da questa forza nucleare forte. La premessa è che la simulazione fisica su un livello fondamentale è simile alla voglia di simulare lo stesso Universo. I fisici dell'Università di Bonn, in Germania, hanno pubblicato i risultati su questi studi. Anche utilizzando i supercomputer più potenti del mondo, i fisici sono riusciti a simulare solo piccoli angoli del cosmo.

Il punto importante è che la simulazione è quasi indistinguibile dalla realtà, per quanto si riesce a capire . Questo è uno dei motivi per cui alcuni fisici considerano la possibilità che il nostro Universo potrebbe essere ricreato su una rete di computer enormemente potente. Silas e Beane sostengono che ci sono modi per vedere se siano ben simulati, in determinati scenari. Il problema con tutte le simulazioni è che le leggi della fisica debbono essere sovrapposti su un discreto reticolo tridimensionale e sul quale si avanza attraverso incrementi di tempo. Beane  ha aggiunto che la distanza del reticolo impone alcuni tipi di prescrizioni per ricreare  i processi fisici che vediamo nell'universo. Essi si concentrano sui processi ad alta energia, anzichè sondare le più piccole regioni dello spazio per ottenere più energia. Hanno anche scoperto che la distanza reticolare impone un limite fondamentale all'energia che le particelle possono avere, perché nulla può esistere più piccolo del reticolo stesso. Se il cosmo è una simulazione, ci dovrebbe essere un cut-off nello spettro di particelle ad alta energia.                                                                                        Questa interruzione dell'energia delle particelle che compongono i raggi cosmici è conosciuta come il Greisen-Zatsepin-Kuzmin o limite GZK, e avviene perché le particelle ad alta energia interagiscono con la radiazione cosmica di fondo e così perdono energia mentre viaggiano per lunghe distanze. La caratteristica più sorprendente è che la distribuzione angolare dei componenti di alta energia mostrerebbe simmetria cubica nel resto della cornice del reticolo, ma si discosta significativamente dall’ isotropia,(proprietà dei corpi di avere le stesse caratteristiche fisiche in tutte le direzioni) secondo gli stati ipotizzati da Beane.                                                                                   Ciò significa che i raggi cosmici viaggerebbe preferenzialmente lungo gli assi del reticolo, in modo da non poter essere visti in tutte le direzioni. Trovare l'effetto significherebbe che abbiamo potuto vedere l'orientamento del reticolo su cui è simulato il nostro universo. Tuttavia, il reticolo- computer può essere costruito in un modo completamente diverso da quello ipotizzato da questo studio. Un altro problema è che l'effetto è misurabile solo se il cut off del reticolo è uguale al limite GZK. Ciò si verifica quando la distanza reticolo è di circa 10 ^ -12 femtometers. Se la distanza è inferiore, i ricercatori non vedranno nulla.