Il colore delle particelle
Alessandro Pascolini
Università di Padova
Atomos, paramanu, atomi
La concezione atomistica della materia ha attraversato la storia della cultura
occi
dent
al
e con al
t
er
na f
or
t
una,dal
l
’
i
nt
ui
zi
one diDemoc
r
i
t
o ed Epi
cur
of
i
no al
diffuso successo attuale.
Gli atomos greci, non potendo essere osservati direttamente, non possono essere
conosciuti in dettaglio: si sa solo che sono solidi, pieni, hanno figure e dimensioni
differenti, si muovono; una cosa è assolutamente certa, e Lucrezio lo afferma con
vigore: Nessun colore affatto posseggono le particelle elementari della materia,
né simile alle cose, né da esse diverso.
Anche nella tradizione indiana è stata elaborata una concezione atomista, che
continua a vivere nello Jainismo. Le particelle fondamentali sono i paramanu,
che, a differenza degli atomos, sono allegri, dotati di sapore, odore, dimensione,
estensione, moto continuo, due tipi di carica, e anche colore. Echi di questa
concezi
one s
ono per
venut
e nel
l
’
oc
ci
dent
e medi
eval
e per tramite arabo, ma non
hanno lasciato tracce significative.
Nelcor
so delmedi
oevo l
’
at
omi
smo,condannat
o si
a nel
l
’
occi
dent
ec
r
i
st
i
ano che
nel
l
’
or
i
ent
e ar
abo,non cost
i
t
uìun t
ema i
mpor
t
ant
e nel
l
e di
scus
si
onif
i
l
osof
i
che.
La teoria atomista verrà fatta rivivere nel XVII secolo da Pierre Gassendi. I suoi
atomi materiali acquistano nuove proprietà: estensione, grandezza, forma, peso
o massa, ed una velocità individuale, impressa da Dio ab initio. Ma niente colore.
Anche l
a l
uce è f
at
t
a d’
at
omi
, pi
ù vel
oci diquel
l
imat
er
i
al
i
, ma anch’
essi
acromatici.
Neppure Galileo, con la sua distinzione fra qualità primarie e secondarie,
attribuisce colore ai suoi atomi, che rimangono acromatici anche per Francesco
Bacone. La tradizione atomistica rimane fedele a Lucrezio.
Maneldi
bat
t
i
t
osci
ent
i
f
i
codel‘
600,chesii
nt
er
r
ogaspeci
f
i
c
ament
esulpr
obl
ema
del
l
’
esper
i
enza sensi
bi
l
e e qui
ndidelcol
or
e,c
ompai
ono c
or
pus
col
idot
at
ii
n un
certo senso di colore. C onsideriamo la definizione di colore data da Cartesio e
Locke, che possiamo esprimere nella forma: x è rosso se e solo se x ha una
qualche caratteristica tale da produrre la sensazione del rosso. C artesio, Locke,
Newt
on neganoalc
ol
or
e un’
esi
st
enzaext
r
a-mentale: si tratta di una sensazione
interna. Tali sensazioni sono causate dalla luce sia nella concezione di C artesio
che in quella di Newton: nella prima i corpuscoli della matière subtile della luce
evocano i diversi colori ruotando a diverse velocità, nella seconda i corpuscoli
atomici che compongono i raggi luminosi provocano le sensazioni di colore
venendo rifratti differentemente in base alle loro dimensioni. Ebbene,
ammettendo la definizione di colore di Cartesio-Locke, possiamo affermare che
tali particelle di luce hanno lo stesso colore che sanno suscitare.
Fotoni, atomi, particelle
La teoria corpuscolare della luce verrà ripresa da Einstein nel 1905 con i suoi
quant
idil
uc
e, i“
f
ot
oni
”
,c
ar
at
t
er
i
z
zat
ida una pr
eci
sa f
r
equenz
a. Poi
ché l
e
sensazioni luminose dipendono dalla frequenza della radiazione, in base alla
definizione di Cartesio-Locke, potremmo dire che i fotoni di frequenze comprese
nello spettro visibile hanno i colori corrispondenti (invece tutti gli altri fotoni
sarebbero privi di colore). In realtà, però, i colori si distinguono solo se la luce è
abbastanza intensa, per cui solo impulsi composti da un numero sufficiente di
fotoni riescono a produrre sensazioni di colore: pertanto il singolo fotone non può
essere considerato colorato.
I grandi progressi sperimentali e teorici della fisica del secolo scorso hanno anche
ul
t
er
i
or
ment
e scavat
o nelcuor
e del
l
a mat
er
i
a:l
’
at
omo è r
i
sul
t
at
o compost
o da
elettroni indivisibili e nuclei dalla struttura complessa, composti di due tipi di
“
nucl
eoni
”
,ipr
ot
onied ineut
r
oni
,sot
t
opost
ia una f
or
za pr
i
ma sconosciuta,
l
’
i
nt
er
azi
one “
f
or
t
e”
.La st
ess
af
or
za agi
sc
e su una mi
r
i
ade dinuove par
t
i
c
el
l
e,
scoper
t
evi
avi
a,chi
amat
e“
adr
oni
”
.
La meccanica quantistica, che fissa il quadro concettuale del microcosmo, associa
ad ogni particella una descrizione ondulator
i
aconunapr
eci
s
al
unghezz
a d’
onda:
tali onde sono di frequenza estremamente alta, lontana dallo spettro visibile, per
cui, in base sempre alla definizione di C artesio-Locke, nessuno di tali sistemi
possiede colore. La norma di Lucrezio rimane inesorabilmente valida per ogni
possibile particella di dimensioni atomiche o inferiori.
I quark e il loro colore
Negl
ianni’
60,gui
dat
ida un’
el
egant
et
eor
i
a disi
mmet
r
i
e mat
emat
i
che,if
i
si
ci
introdussero sul palcoscenico della scienza una nuova famiglia: i quark, elementi
elementari costitutivi degli adroni.
Oggic
onos
ci
amo s
eit
i
pidiquar
k,di
st
i
nt
iut
i
l
i
zzando l
a met
af
or
a del“
sapor
e”
;
accanto ad ogni quark esiste il suo anti-quark, di proprietà speculari. Gli adroni si
suddividono in barioni, composti da tre quark, e mesoni, composti da un quark e
un antiquark. Un carattere comune di tutti i quark, assolutamente nuovo nel
quadr
o conc
et
t
ual
e del
l
’
at
omi
smo,è l
’
i
mpossi
bi
l
i
t
à diesi
st
er
ei
ndi
vi
dual
ment
e
allo stato libero, con grande disappunto degli scienziati che si sforzarono per una
decina di anni di estrarli dagli adroni o di produrli in reazioni di vario tipo.
Il modello a quark pone alcuni problemi: esistono particelle composte da quark
identici nello stesso stato, in violazione apparente di uno dei principi fondanti la
meccanica quantistica, il principio di esclusione di Pauli; i quark risultano
sper
i
ment
al
ment
eesi
st
er
ei
npi
ùf
or
medel
l
ost
esso“
sapor
e”
.
La sol
uzi
onedeipar
adossisiot
t
i
ene post
ul
ando l
’
esi
st
enz
a diun nuovo at
t
r
i
but
o
dei quark, chiamat
o“
numer
odicol
or
e”
,percuiogniquar
kpuòt
r
ovar
sii
nunodi
tre stati di colore distinti.
I colori vanno considerati come una nuova carica, che genera il campo di forza
nucleare (in analogia con la carica elettrica che genera il campo
elettromagnetico). La teoria di campo associata a questa interazione
fondamentale si chiama cromodinamica quantistica.
Una proprietà fondamentale della nuova dinamica è che tutti gli adroni hanno
carica di colore globale nulla, per cui il colore dei quark deve neutralizzarsi: nel
casodelmesone,i
lquar
kel
’
ant
i
quar
k che l
oc
ompongonodevonoaver
ecol
or
e
opposto, nel caso del barione, i tre quark devono essere di colori differenti, la cui
combinazione deve dare carica di colore nulla. La legge che proibisce ai sistemi
naturali di avere una carica di colore impedisce ai quark singoli di esistere in
modo indipendente.
La scelta del colore come attributo dei quark è chiaramente solo una metafora:
l
’
anal
ogi
a per
met
t
e diassoci
ar
e ait
r
e st
at
idicar
i
c
a it
r
e col
or
if
ondamentali e
agli adroni un colore neutro, di fatto bianco, come combinazione dei tre colori
fondamentali o di un colore e del suo complementare. Utilizzando il sistema RGB,
i quark sarebbero rossi, verdi e blù (ma alcuni sostituiscono al verde il giallo,
forse anche perchè in C ina e Giappone il verde è solo una sfumatura del blù); gli
antiquark sarebbero invece ciano (antirosso), fucsia (antiverde), giallo (antiblù) .
Cosìcome if
ot
onisono ivet
t
or
idel
l
af
or
za el
et
t
r
omagnet
i
ca,l
’
i
nt
er
azi
one t
r
ai
quark viene mediata da particelle di massa nulla chiamate gluoni. A differenza
dei fotoni, che sono elettricamente neutri, i gluoni hanno una loro carica di
colore, pertanto possono interagire fra di loro e devono, come i quark, rimanere
conf
i
nat
ial
l
’
i
nt
er
no degl
iadroni. In interazioni violente possono raggiungere
ener
gi
a suf
f
i
ci
ent
e apr
odur
r
e un‘
get
t
o’dipar
t
i
cel
l
eneut
r
e dicol
or
echees
cono
dal barione: lo studio di questi getti ha permesso di ricostruire sperimentalmente
le proprietà dei gluoni.
C i sono in tutto otto tipi di gluoni, sei che modificano il colore (che possono
esser
e des
cr
i
t
t
ir
i
f
er
endosi ancor
a alsi
st
ema RGB) e due “
bi
ancast
r
i
” per
l
’
i
nt
er
azi
one f
r
a quar
k del
l
o st
ess
o col
or
e:ad esempi
o un quar
k ver
de di
vi
ene
rosso emettendo un gluone rosa (verde-antirosso). I colori dei quark cambiano
continuamente con la condizione che il sistema totale rimanga sempre neutro di
colore, per cui in nessun punto ed in alcun istante si può riconoscere il colore
preciso di un quark o gluone.
La metafora del colore è, complessivamente, piuttosto infelice e non riesce a
divenire strutturale: infatti, ad esempio, un gluone blù antiverde (indaco)
t
r
asf
or
ma un quar
kver
de i
n uno bl
ù,masu una t
avol
ozza c
ombi
nando l
’
i
ndaco
col verde non si ottiene il blù. Oppure, i sistemi globali privi di carica di colore
sono bi
anchi
,ma i
nr
eal
t
àl
’
as
senz
a dicol
or
eèi
lner
o,che non sipuò ot
t
ener
e
da colori complementari. Infine, mentre i singoli colori hanno una precisa valenza
culturale, i colori specifici attribuiti a quark sono assolutamente irrilevanti.
Del resto la stessa simbologia di colore scompare nella notazione e nei calcoli
effettivi della teoria, in quanto i tre stati diventano genericamente 1,2, 3 e la
metafora viene completamente persa.
Era saggio seguire la prescrizione di Lucrezio:
E dunque evita di contaminare con un colore i germi delle cose
Le particelle non hanno colore, ma...
No, non ha senso pensare che le particelle fisiche abbiano colore. Ma se
osserviamo un ricercatore che segue su di un monitor il succedersi degli eventi in
un esperimento di particelle, vediamo un succedersi ed intrecciarsi di traiettorie
variamente colorate, e lui potrà dirci: le tracce verdi sono elettroni, quelle viola
pioni... e allora?
Allora dobbiamo ricordare che i colori hanno un importante ruolo epistemologico,
comesegnio i
ndi
cat
or
inat
ur
al
iperl
’
i
dent
i
f
i
c
azi
one diogget
t
if
i
si
ci
.Ol
t
r
eall
or
o
r
uol
o di“
segninat
ur
al
i
” essiser
vono c
omesegnic
onvenzi
onal
i
,ar
bi
t
r
ar
i
,f
i
ss
at
i
secondo una corrispondenza che sia utile ed immediata. Anche al commissario
Mont
al
bano diCami
l
l
er
i“
veni
va nat
ur
al
e,si
n da quando er
a ni
c
ar
eddu,didar
e
un col
or
e ad ogniodor
eche l
oc
ol
pi
va”
.Cosìnel
l
’
anal
i
sidegl
ievent
it
or
na ut
i
l
e
identificare le particelle con codici di colore che in genere vengono fissati
al
l
’
i
nt
er
no del
l
a col
l
abor
azi
one di sci
enzi
at
i che par
t
eci
pano al
l
o st
esso
esperimento, a seconda dei gusti e delle tradizioni. Queste caratterizzazioni
cr
omat
i
che per
met
t
ono di“
pens
ar
e con gl
ioc
chi
”
,ma r
i
mangono pat
r
i
moni
o
individuale e non entrano nel linguaggio scientifico.
In realtà le stesse immagini che descrivono gli eventi non sono altro che modelli
teorici espressi mediante immagini: non mostrano il mondo, ma ciò che noi
pensiamo del mondo. Visualizzano le nostre concezioni del mondo. E noi
pensiamo a colori
1. Event
o pr
odot
t
o da un r
aggi
oc
osmi
co i
n un’
emul
si
one f
ot
ogr
af
i
ca (
Powel
l
1950). Un nucleo cosmico di zolfo (rosso) produce un getto di particelle:
un nucleo di fluoro (verde), frammenti nucleari (blù) e sedici pioni (gialli).
Icol
or
is
ono st
at
iaggi
unt
ia scopo di
vul
gat
i
vo peri
ll
i
br
o“
The Par
t
i
cl
e
Odissey, Oxford University Press
2. Immagine a falsi colori di un evento prodotto in una camera a bolle (foto
C ERN)
3. Lo spettro della luce solare: le barre nere corrispondono alle lunghezze
d’
ondaassor
bi
t
edagl
iel
ement
ipr
esent
inel
l
acor
onasol
ar
e
4. Ri
cost
r
uzi
onealc
al
col
at
or
ediunevent
o pr
odot
t
o nel
l
’
esper
i
ment
o UA1 al
laboratorio C ERN di Ginevra. I colori corrispondono a codici convenzionali
di identificazione delle caratteristiche delle particelle prodotte (C ERN-INFN)
5. Ri
cost
r
uzi
onealc
al
col
at
or
ediunevent
opr
odot
t
onel
l
’
esper
i
ment
oDELPHI
al laboratorio C ERN di Ginevra. I colori corrispondono a codici
convenzionali di identificazione delle caratteristiche delle particelle
prodotte (CERN-INFN)
6. I
mmagi
ne ar
t
i
st
i
c
a del
l
’
i
nt
er
azi
one f
r
a quar
k col
or
at
it
r
ami
t
e sc
ambi
o di
gluoni (disegno Luca Cesaro, direzione artistica Alessandro Pascolini)
