Autore: Stefan Heusler, Annette Lorke
E-mail: [email protected]
Video: QED – Materia, luce e vuoto
Clip dal video: Capitolo 5, Parte artistica
Regia: Stefan Heusler
Produzione: Sciencemotion, www.sciencemotion.de
Scientific level – Spiegazione per insegnanti
Negli acceleratori di particelle, gli elettroni vengono portati a una velocità prossima a
quella della luce e acquistano un’enorme energia. Quanto maggiore diventa l’energia
dell’elettrone reale, tanto più assumono importanza le particelle virtuali. Il fatto che le
particelle virtuali modifichino la legge di Coulomb (1/r) è la chiave della descrizione
teorica dello spostamento di Lamb nell’atomo di idrogeno. Gli scostamenti dalla legge
di Coulomb diventano tanto maggiori quanto più aumenta l’energia dell’elettrone. La
forza di attrazione fra particelle dotate di carica elettrica dipende dalla loro energia. La
costante di struttura fine α/(2 π) = e2 /(h*c) assume il valore numerico α ≈ 1/137 solo
alle basse energie. Le maggiori fluttuazioni quantistiche a livelli energetici più elevati
rendono la carica elettrica rinormalizzata eR una funzione dell’energia. Neppure la
costante di struttura fine è una “costante”, in realtà, ma piuttosto una funzione
dell’energia α(E) (“running coupling“) misurabile negli acceleratori di particelle. Sulla
scala energetica dell’interazione debole (energia di risonanza dei bosoni W +, W - e Z),
l’attrazione elettrica è più forte: α(90 GeV) ≈ 1/127E ≈ ≈ 0,0079.
Quanto maggiore è l’energia, tanto più forte diventa la forza di attrazione dell’elettrone
reale, come se un numero via via maggiore di particelle virtuali quantistico si
“svegliasse” per andare a rinforzare l’accoppiamento elettrico.
Un accoppiamento dipendente dall’energia (“running coupling”) è noto anche nelle
altre interazioni. Nel modello standard della fisica delle particelle elementari, le
interazioni forte e debole vengono descritte mediante teorie dei campi quantistici
derivate in modo molto simile a quanto si fa in elettrodinamica quantistica (QED). I
principi più importanti che stanno alla base di tutte le teorie sui campi quantistici sono
le simmetrie e l’invarianza relativistica. Non è possibile prevedere a livello teorico
quale simmetria abbia il nostro mondo. Nel modello standard, la simmetria viene
introdotta in modo tale da corrispondere ai dati sperimentali.
Mentre nell’elettrodinamica quantistica l’accoppiamento elettrico si intensifica
all’aumentare dell’energia, nell’interazione forte esso si riduce (la cosiddetta libertà
asintotica). A differenza di quanto avviene con i fotoni, che sono elettricamente neutri,
l’interazione forte è mediata da otto diversi tipi di gluoni che trasportano cariche di
colore e che si attraggono o si respingono.
Nell’interazione debole entrano in gioco tre diversi tipi di particelle di accoppiamento,
cioè i bosoni W +, W - e Z.
Tutte le particelle di accoppiamento (i cosiddetti ‘bosoni di gauge’) possono
trasportare non solo carica elettrica, ma anche “ipercarica” e carica di colore.
Chiamiamo α1, α2, α3 la forza di accoppiamento dell’ipercarica (α1), del legame
elettrodebole (α2) e del legame forte (α3). Alle basse energie, l’ipercarica e la forza
elettrodebole si orientano in modo da formare una combinazione lineare in cui una
direzione corrisponde al fotone (privo di massa) e l’altra ai bosoni W +, W - e Z (dotati di
massa). Questa è la cosiddetta “rottura spontanea di simmetria”.
A energie molto maggiori di 90 GeV, la forza elettrica e la forza debole possono
essere descritte mediante una teoria unificata detta “elettrodebole”, caratterizzata dai
due parametri α1 e α2.
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Nel modello standard, i tre parametri α1, α2, α3 assumono grandezze quasi identiche a
energie estremamente alte (circa 1016 GeV). Questo è già un affascinante accenno
alla possibilità che ad energie così elevate tutte le forze (ad eccezione della
gravitazione) possano essere descritte da una sola teoria unificata, la cosiddetta GUT
(Grand Unified Theory).
Nel 1991 Amaldi et al. hanno pubblicato una scoperta sensazionale: quando il modello
standard viene ampliato fino a una super-simmetria, le tre forze vengono a trovarsi
esattamente in un unico punto. In una teoria “super-simmetrica”, a ogni particella con
spin semi-intero corrisponde una “particella partner” con spin intero. La supersimmetria prevede inoltre l’esistenza di una particella-partner a spin intero
dell’elettrone, che tuttavia non è ancora stata scoperta.
La scala energetica in cui tutti gli accoppiamenti si riuniscono in un punto esatto, detta
scala GUT (Q ≈ 1016 GeV), descrive tutte le forze ad eccezione della gravitazione.
Rimane da stabilire se il nostro mondo sia o meno super-simmetrico: gli acceleratori di
particelle della prossima generazione (ad esempio l’ATLAS del CERN) potrebbero
dare risposta a questa affascinante domanda.
Siti sui bosoni gauge:
http://en.wikipedia.org/wiki/Fine_structure_constant (in inglese); per la costante di
struttura fine si va in italiano http://it.wikipedia.org/wiki/Costante_di_struttura_fine
http://en.wikipedia.org/wiki/Running_coupling (in inglese);
http://it.wikipedia.org/wiki/Costanti_di_accoppiamento (in italiano)
http://en.wikipedia.org/wiki/Landau_pole
http://motls.blogspot.com/2004/10/gauge-coupling-unification.html
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