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cromodinàmica

sf. [cromo+dinamica]. In fisica delle particelle fondamentali, la cromodinamica quantistica, o quantocromodinamica, o QCD (acronimo dell'inglese Quantum Chromo Dynamics), è la moderna teoria dell'interazione nucleare forte, la cui forma matematica è stata elaborata sul modello dell'elettrodinamica quantistica (o QED, Quantum Electro Dynamics), la moderna teoria quantistica dell'interazione elettromagnetica. Il termine “cromo” indica che le forze agiscono tra cariche di “colore” e non tra cariche elettriche, come nell'elettrodinamica quantistica. La teoria identifica l'origine delle interazioni nucleari forti nello scambio di particelle, chiamate gluoni, tra i quark costituenti delle particelle che possono interagire fortemente. Queste particelle, chiamate adroni, sono suddivise nelle due categorie dei barioni e dei mesoni. Barioni e mesoni sono infatti formati da quark, rispettivamente da 3 e 2 quark, che interagiscono attraverso lo scambio di 8 particelle dette gluoni. All'interno del nucleo atomico, che è costituito da barioni denominati protoni e neutroni, cioè da nucleoni, la forza dominante è la forza nucleare forte che si esercita tra i quark costituenti dei singoli nucleoni. Questa è la vera interazione nucleare forte; invece, l'interazione che tiene insieme i nucleoni nel nucleo attraverso lo scambio di mesoni (vedi nucleo), è solo il residuo della forza, detta di colore, tra i quark all'interno dei diversi nucleoni. Si può dire che la forza nucleare tra i nucleoni è solo un'immagine dell'interazione di colore così come le forze chimiche che legano gli atomi nelle molecole sono solo un'immagine dell'interazione elettromagnetica. La cromodinamica quantistica prende nome dal fatto che i quark possiedono cariche particolari, dette cariche di colore. Ogni tipo delle 3 coppie di quark esiste in tre colori diversi, convenzionalmente indicati con i nomi dei colori primari additivi, rosso, verde e blu. Gli antiquark, a loro volta possono esistere in ciascuno dei tre stati, o colori, ai quali vengono attribuiti numeri quantici resi convenzionalmente con il nome dei colori complementari: antirosso o cyan, antiverde, o magenta, antiblu o giallo. I gluoni, mediatori dell'interazione forte, derivano il loro nome dall'inglese glue, colla, perché sono come la colla che tiene insieme i quark. I gluoni sono particelle di massa nulla, ma anch'esse dotate della proprietà, o numero quantico, denominata carica di colore. In questo la cromodinamica quantistica si differenzia dall'elettrodinamica quantistica, nella quale l'interazione elettromagnetica avviene tra particelle dotate di carica elettrica attraverso lo scambio di particelle prive di massa (i fotoni), ma anche prive di carica elettrica. Nei barioni, l'introduzione del grado di libertà denominato colore permette di superare la contraddizione di avere tre fermioni (i tre quark) esattamente nello stesso stato quantico. I barioni vengono così rappresentati da tre quark di diverso colore uno rosso, uno verde e uno blu, combinati quindi in modo da dare una risultante neutra per quanto riguarda la carica di colore. In questo caso il bianco, che è la risultante del rosso, del verde e del blu, nel mondo delle particelle fondamentali viene a corrispondere alla neutralità rispetto al colore. Allo stesso modo, i mesoni, sono composti da un quark e da un antiquark. Ciò rende anche i mesoni neutri riguardo al colore. Mentre la forza di colore, che si esercita tra i quark, aumenta all'aumentare della distanza, la forza che si esercita tra i nucleoni del nucleo diminuisce rapidamente all'aumentare della distanza tra i nucleoni: ciò è dovuto al fatto che si tratta di interazioni tra particelle mediatrici neutre rispetto al colore. La descrizione matematica di un'importante modalità di questa interazione, la cosiddetta libertà asintotica, è dovuta ai fisici teorici D. Gross, D. Politzer e F. Wilczek, che, nel 1973, descrissero la forza dell'interazione in termini della distanza tra i quark. Nella cromodinamica quantistica, quanto più i quark sono vicini tra loro tanto minore è l'interazione di scambio che si esercita. Ma quanto più si allontanano tanto più intensa diventa l'interazione, come se i quark fossero uniti da un elastico che quanto più si tende tanto più rende intensa la forza esercitata. Il termine libertà asintotica significa che, come mostrano bene le esperienze, a distanza ravvicinata i quark si comportano come particelle libere. Se però si agisce nel senso di tentare di allontanarli, essi sviluppano una forza attrattiva estremamente alta che cresce al crescere della distanza, sino a precludere del tutto la possibilità di poter mai osservare direttamente un quark separato dall'altro o dagli altri che con esso formano i barioni e i mesoni (proprietà del confinamento dei quark). Grazie al lavoro di Gross, Politzer e Wilczek, la cromodinamica quantistica rappresenta, insieme all'elettrodinamica quantistica, un contributo essenziale al Modello Standard delle particelle e delle interazioni, la teoria che descrive in un unico ambito tutte le interazioni fondamentali, a eccezione di quelle gravitazionali.