Di Cosa È Composto Realmente un Quark… e Perché Non Può Mai Sussistere da Solo

Il video affronta una delle domande più profonde della fisica: se tutto ciò che esiste è costruito da quark, perché nessuno è mai riuscito a osservarne uno da solo? Il racconto riparte dalla storia dell'atomo: dal termine greco «atomos» alla scoperta dell'elettrone da parte di J.J. Thomson nel 1897 al Cavendish Laboratory di Cambridge, dal modello a plum-cake all'esperimento di Ernest Rutherford del 1911, con Geiger e Marsden, sulla lamina d'oro, che rivelò un nucleo minuscolo in un atomo quasi vuoto. Seguono protoni e neutroni e il caos dello «zoo di particelle» degli anni Cinquanta, finché nel 1964 Murray Gell-Mann al Caltech e George Zweig al CERN proposero indipendentemente che gli adroni fossero formati da quark. La previsione dell'omega meno, confermata nello stesso anno al Brookhaven National Laboratory, e gli esperimenti di deep inelastic scattering allo SLAC dimostrarono che i quark sono oggetti reali, portando Friedman, Kendall e Taylor al Nobel nel 1990. Oggi se ne conoscono sei sapori, con masse da circa 2 milioni a 173 miliardi di elettronvolt. Il cuore del video è il confinamento: i quark possiedono una «carica di colore» (rosso, verde, blu) e i gluoni, a differenza dei fotoni, portano anch'essi carica e interagiscono tra loro, comprimendo il campo in un tubo di flusso con tensione di circa un miliardo di elettronvolt per femtometro. Separando due quark, l'energia accumulata si trasforma in una nuova coppia quark-antiquark: nascono altri adroni, mai quark liberi. Cromodinamica quantistica, libertà asintotica di Gross, Wilczek e Politzer, simulazioni su reticolo e plasma quark-gluon ricreato al RHIC e all'LHC confermano il quadro, e il campo gluonico genera il 98% della massa del protone. Il video chiude rispondendo al titolo: i quark, per quanto ogni esperimento possa vedere, non sono fatti di nulla; sono punti fondamentali, entità relazionali e per sempre imprigionate, mentre dimostrarlo matematicamente resta un Millennium Prize Problem da un milione di dollari. Che nessuno abbia mai visto un quark da solo non è mancanza di impegno: la caccia ai quark liberi comincia nel 1964, subito dopo l'idea stessa di Gell-Mann, con esperimenti al protosincrotrone del CERN e all'acceleratore AGS di Brookhaven. Risultato negativo, e da allora i tentativi non si sono più fermati. Nel 1996 un gruppo guidato da Martin Perl allo SLAC di Stanford ha ripreso l'esperimento delle gocce d'olio di Fairbank, monitorando milioni di gocce con stroboscopio e videocamera per cercare cariche frazionarie, l'unica firma possibile di un quark isolato. La conclusione: se quark liberi esistono, ce ne sono meno di uno su centinaia di miliardi di miliardi di protoni e neutroni (archivio.asimmetrie.it/images/16/pdf/asimmetrie-06-16.pdf). C'è anche un paradosso che vale la pena conoscere. Negli urti ad alta energia i quark dentro il protone si comportano come oggetti quasi liberi, debolmente legati, eppure separarli del tutto richiederebbe energia infinita. La cromodinamica quantistica risolve tutto con la libertà asintotica: la forza tra quark e gluoni si indebolisce a distanze piccolissime e diventa fortissima a grande distanza. E i quark, secondo la Treccani, non sono fatti di componenti più piccoli: sono campi fondamentali della QCD, presenti in sei sapori, dall'up di circa 5 MeV/c² al top di circa 173 GeV/c², e ogni sapore esiste in tre colori (treccani.it/enciclopedia/quark_(Enciclopedia-della-Scienza-e-della-Tecnica)).