Atomo – a lungo pensato indivisibile (atomos) – oggi un oggetto tanto complesso, quanto bello.
Ma quale atomo? Certamente l’atomo che esprime la forza creativa di Democrito, che più di 2000 anni fa intuì che il mondo, in tutte le sue forme e manifestazioni, è composto da un numero finito di mattoni fondamentali; e poi l’atomo di Rutherford, un piccolo sistema solare, con un nucleo positivo al centro, e gli elettroni che gli girano attorno vorticosamente, come pianeti; ed ancora, l’atomo di Bohr – paradigma della meccanica quantistica, in cui gli elettroni diventati nuvole di probabilità, chiamate orbitali atomici, avvolgono il nucleo, sotto l’effetto della forza elettromagnetica.
Ed il nucleo? Si scoprì che il nucleo era fatto di protoni e neutroni, e si scoprì anche che era tenuto assieme da un nuovo tipo di interazione: la forza nucleare forte.
I protoni ed i neutroni stessi, si rivelarono a loro volta composti da combinazioni di elementi ancora più fondamentali, i quark: anche loro soggetti alla forza forte. Oggi i quark sono il più piccolo mattone in cui possiamo scomporre il mondo.
Uno degli aspetti più spettacolari della forza forte è rappresentato dalla cosiddetta “libertà asintotica”, che fa sì che l’intensità della forza tra due quark diminuisca al loro avvicinarsi, (da cui il nome di “libertà asintotica”), diventando invece sempre più grande man mano che la loro separazione aumenta. Nel mondo dei quarks ( ed in generale della meccanica quantistica), piccole distanze significano alte energie e grandi distanze basse energie.
Questa caratteristica della forza forte è dovuta al fatto che i gluoni, la “colla” che tiene insieme i quark, a differenza dei fotoni, la “colla” dell’elettromagnetismo, hanno una carica, detta “carica di colore”, che permette ai gluoni di interagire con i quarks e anche fra di loro.
A tutt’oggi lo studio della forza forte è uno degli obiettivi fondamentali nella fisica moderna; soprattutto a basse energie, per intenderci, alle energie equivalenti con la massa del protone su cui si basa la vita stessa. Una delle modalità per studiare la forza forte a bassissime energie è rappresentata dallo studio del comportamento degli atomi esotici – atomi in cui inseriamo una “spia” che interagisca col nucleo attraverso la forza forte – a differenza dell’elettrone, che col nucleo parla soltanto il linguaggio della forza elettromagnetica. La “spia” è una particella chiamata “adrone” (che interagisce forte), e può essere un antiprotone, un pione, oppure un kaone. L’atomo così formato si chiama un atomo esotico, perché non esiste spontaneamente in natura – va creato e studiato nei laboratori di fisica. Avendo una massa molte volte più grande rispetto a quella dell’elettrone, l’adrone è catturato in un’orbita eccitata nell’atomo esotico; la sua susseguente diseccitazione, sino al livello fondamentale, porta l’adrone molto vicino al nucleo. E’ proprio a questo livello che l’interazione forte si fa sentire, sia sull’energia di tale livello che sulla sua larghezza. Misurando, dunque, tali parametri, si può studiare il comportamento della forza forte a bassissime energie.
Lo studio degli atomi esotici in cui viene utilizzato come “spia” un kaone negativo– un adrone composto da una coppia quark-antiquark, con carica negativa, con la massa circa mille volte più grande rispetto a quella dell’elettrone, viene eseguito presso i Laboratori Nazionali di Frascati (LNF), sull’acceleratore DANE, la miglior macchina al mondo per questo tipo di misure. I fasci di kaoni di altissima qualità vengono generati a DANE dal decadimento delle particelle chiamate , create a loro volta dall’annichilazione di elettroni e positroni, circolanti nei due anelli di DANE. L’esperimeto DEAR (DANE Exotic Atom Research) ha già effettuato nel 2002 la miglior misura al mondo, in termini di precisione e di qualità, delle transizioni nell’idrogeno kaonico; in seguito a questi risultati, gruppi di teorici di tutto il mondo sono al lavoro, per sfruttare le nuove informazioni sulla forza forte. Il futuro delle misure di atomi esotici ai LNF, vede il proseguimento di DEAR con un nuovo esperimento: SIDDHARTA (Silicon Drift Detector for Hadronic Atom Research by timing Application), che, utilizzando un apparato d’avanguardia, accoglie una nuova sfida: migliorare di dieci volte la precisione della misura dell’idrogeno kaonico ed effettuare la prima misura al mondo del deuterio kaonico. Queste misure rappresenteranno un nuovo miscoscopio per carpire dettagli sempre più fini della forza forte, contribuendo a chiarire il quadro generale in cui le forze agiscono in Natura, alla scala di energie per cui la vita esiste.

scritto da Catalina Curceanu |