Interazioni tra particelle

Il concetto di interazione è probabilmente innato. Interazione è, ad esempio, quella tra due pianeti o quella che ci tiene sulla terra per effetto del campo gravitazionale. Sempre interazione è quella tra due cariche elettriche o tra due poli magnetici.

In natura esistono quattro interazioni fondamentali, che sono alla base degli scambi di forze tra le particelle e che sono responsabili della struttura dell’universo.
Queste sono l’interazione forte, l’elettromagnetica, la debole e la gravitazionale.
Prima di procedere ad introdurle brevemente sono necessarie alcune piccole premesse.

In primo luogo noi abbiamo trattato i campi elettrici e magnetici in modo distinto, ora invece questi concetti li troviamo unificati. Infatti questa unificazione, effettuata da Maxwell nella seconda metà del secolo scorso, è parte integrante della fisica moderna, che ha abbandonato i concetti di campo elettrico e magnetico come entità distinte. Più correttamente, infatti, avremmo dovuto parlare di campi elettrostatici e magnetostatici, in quanto non appena le cariche elettriche od i poli magnetici si muovono, i discorsi precedenti andrebbero modificati.

Nella teoria relativistica dei campi quantizzati, che è quella che descrive la creazione e l’interazione delle particelle non sono possibili interazioni a distanza (come, ad esempio, nel campo gravitazionale), le interazioni avvengono per scambio di una o più particelle, i bosoni intermedi o "quanti di energia". Queste particelle, in quanto trasportatrici dell’energia dell’interazione, vengono emesse e riassorbite dalle particelle interagenti.
Il più famoso bosone intermedio è, probabilmente, il fotone, il quanto del campo elettromagnetico.

Descrivendo un’interazione è importante definire due quantità: il range o raggio d' azione e l’intensità.
Il range di un’interazione è la distanza massima cui questa è influente. Ad esempio l’interazione gravitazionale ha un range infinito; per questa caratteristica il sole esercita la sua forza anche su pianeti lontanissimi. Le interazioni forti, invece, hanno range pari a circa le dimensioni del nucleo: un adrone che passi oltre questa distanza subirà un’interazione con il nucleo trascurabile.
L’intensità delle interazioni fornisce i rapporti di forza tra le diverse interazioni.

Introduciamo ora brevemente le caratteristiche salienti delle quattro interazioni fondamentali in ordine decrescente di intensità relativa:

• Interazione forte:
  è responsabile della struttura degli adroni e dei nuclei, permettendo a questi di rimanere legati, vincendo la repulsione coulombiana tra i protoni. Si manifesta a livello fondamentale tra quarks e gluoni; questi ultimi sono anche i bosoni intermedi delle interazioni.
  Ha intensità relativa pari ad uno, essendo la più intensa delle quattro, e range di circa 10^-15m.
  
• Interazione elettromagnetica:
  è responsabile della struttura atomica e molecolare, delle reazioni chimiche e di tutte le forze (escluse quelle gravitazionali) che osserviamo nel nostro mondo (come, ad esmpio, le forze magnetiche). Si manifesta tra tutte le particelle elettricamente cariche ed ha come bosone intermedio il fotone.
  Ha raggio d’azione infinito ed intensità relativa di circa 10^-2.
  
• Interazione debole:
  è responsabile dei decadimenti delle particelle e dei decadimenti b dei nuclei. Si manifesta tra tutte le particelle, leptoni e quarks. Queste interazioni hanno tre bosoni intermedi, detti Z⁰, W⁺, W^-; tra tutti i bosoni intermedi questi sono gli unici a non avere massa nulla.
  Le interazioni deboli hanno raggio d’azione di circa 10^-18m ed intensità relativa di circa 10^-5. Negli anni settanta le interazioni deboli ed elettromagnetiche sono state unificate nelle interazioni elettrodeboli, ad opera di S.Glashow, A.Salam e S.Weimberg (insigniti del premio Nobel per la fisica nel 1979) che realizzarono, dopo l’unificazione delle interazioni elettriche e magnetiche eseguita da Maxwell, un ulteriore passo avanti verso l’unificazione di tutte le interazioni fondamentali.
  
• Interazione gravitazionale:
  è responsabile delle forze di gravità. Si manifesta tra tutte le particelle ed ha come bosone intermedio il gravitone, l'unico a non essere stato ancora osservato.
  Ha raggio d’azione infinito ed intensità relativa di circa 10^-39.

  Da questa breve descrizione si vede che la forza gravitazionale è incredibilmente meno intensa delle altre. Questo però non deve stupirci, infatti per poterla apprezzare si deve essere molto più lontano delle distanze nucleari (così le interazioni deboli e forti sono nulle) ed oltre gli elettroni più esterni dell' atomo, così da annullare anche le forze elettromagnetiche. Siccome la massa delle particelle è molto piccola, per potere apprezzare bene l’interazione gravitazionale bisogna unire miliardi di atomi: così appare il mondo che ci circonda, dominato dalla forza gravitazionale.

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