Né più né meno: il ruolo dei neutroni

E' stata una settimana durissima in laboratorio; volevo raccontarvelo ieri nel consueto riassunto della vita da lab, ma ancora portavo i postumi della gran faticata. Sono venuti a trovarci alcuni colleghi dei laboratori nazionali di Legnaro, vicino a Padova, con l'idea di continuare nelle misure di neutroni che avevano già iniziato prima di Natale con la tecnica delle sfere di Bonner di cui vi avevo già parlato.

I neutroni sono proprio delle strane particelle, sono della stessa dimensione dei protoni e altrettanto diffusi, ma la loro caratteristica principale è quella di essere assolutamente privi di carica elettrica, il che li rende difficili da rivelare. Volevo parlarvi di una famiglia di nuclei estremamente ricchi di neutroni, tanto che è come se fossero rivestiti da una sottile pelle di neutroni, ma mi sono reso conto che è necessario affrontare il problema per passi successivi, partendo dal principio e spiegandovi il ruolo dei neutroni nel nostro universo.


Né più né meno e nemmeno colorati

Lo sanno anche i bambini: le cariche positive attirano quelle negative e quelle che hanno lo stesso segno si respingono. Forse ho esagerato, i bambini hanno esperienza con le calamite e i loro poli, ma una cosa simile avviene anche per le cariche elettriche. L'interazione elettromagnetica, una delle quattro forze fondamentali, è a lungo raggio, ovvero non importa quanto lontano le cariche sono, ma queste sentiranno sempre l'effetto di questa forza che ovviamente sarà sempre più debole man mano che si allontana.

L'attrazione tra più e meno è la ragione per cui gli elettroni (negativi) si dispongono intorno al nucleo (positivo) a formare la struttura dell'atomo che conosciamo. A questo punto sorgono quasi spontanee due domande:

1. perché gli elettroni non si avvinano indefinitivamente al nucleo? infatti, come dicevamo prima, minore la distanza e maggiore è l'attrazione tra le cariche opposte.
2. come fanno i protoni, che sono tutti carichi positivi a restare così vicini nel nucleo? se è vero che l'attrazione tra cariche opposte diventa sempre più forte diminuendo la distanza, lo stesso si applica per le cariche di stesso segno, ma con azione repulsiva. 

Per rispondere alla prima domanda, ci serve chiamare in causa la meccanica quantistica e la quantizzazione del momento angolare e magari proveremo a rispondere una prossima volta. E' la seconda domanda che vogliamo provare a rispondere in questo articolo che, come avrete già intuito, richiede l'ingresso in scena dei neutrali neutroni.

Partiamo dall'evidenza: il nucleo dell'atomo esiste e i protoni, nonostante la repulsione elettrostatica (anche chiamata di Coulomb), stanno insieme. Deve quindi esistere una forza, più forte della repulsione, che li tiene insieme.

La forza nucleare forte

Ecco che entra in scena una seconda interazione fondamentale, chiamata forza nucleare forte che, a differenza della forza elettromagnetica,  è a breve raggio, ovvero solo particelle molto vicine ne sentono gli effetti. Per capire meglio questa interazione dobbiamo fare un passo ulteriore e aumentare l'ingrandimento del nostro immaginario microscopio: dobbiamo vedere come sono fatti i protoni e i neutroni. Questi non sono particelle elementari, ovvero tutte di un pezzo, ma sono composti da altre particelle, ancora più piccole chiamate quark. Conosciamo l'esistenza di almeno 6 tipi differenti di quark, ma quelli che ci interessano oggi sono i due più comuni: i quark Up e Down. Un protone è costituito da tre quark in totale, due Up e un Down, mentre il neutrone è fatto da due Down e un Up. I tre quark sono tenuti insieme dalla forza nucleare forte che agisce come una specie di molla che li tiene legati insieme. Appena uno si allontana troppo, la molla (che i fisici chiamano gluone) lo richiama indietro. L'effetto della molla si fa sentire anche tra i quark che appartengono a protoni e neutroni differenti, in tal caso quello che succede è che un quark di un protone possa scambiarsi di posto con il quark di un altro nucleone vicino. E' proprio questo continuo scambio di coppie di quark che permette al nucleo di stare insieme. 

Una nota di colore. La forza elettrostatica si manifesta tra le particelle che sono dotate di una carica elettrica. Per analogia, i fisici hanno voluto caratterizzare con una carica anche alle particelle che risentono della forza nucleare forte. Questa è la carica di colore: ogni quark è caratterizzato da un colore [1] e mentre per la carica elettrica abbiamo solo due possibili valori, o positivo o negativo, per la carica di colore abbiamo 6 possibili colori: il rosso, il verde e il blu per le particelle e il ciano (antirosso), il magenta (antiverde) e il giallo (antiblue). Le proprietà di queste cariche di colore è che mettendo insieme i tre colori diversi si ottiene il bianco e lo stesso succede "mescolando" un colore con il suo anticolore.

Un'altra proprietà della carica di colore, è che le particelle colorate non possono esistere isolate, in altre parole un quark rosso non può essere rivelato da solo, perché la forza nucleare forte è talmente forte che appena un quark si allontana dagli altri con cui annulla il colore, attrae altri quark in grado di rendere il colore bianco. Protoni e neutroni hanno colore bianco e così il neutrone oltre a non essere né positivo né negativo, non è neppure colorato.

I neutroni come ago della bilancia

Niente carica, niente colore... sembrerebbero quasi inutili, invece i neutroni sono proprio l'ago della bilancia che tiene insieme i nuclei. Infatti i neutroni essendo elettricamente neutri non risentono della repulsione elettrostatica, ma possono scambiare quark colorati con altri protoni e neutroni vicini. Per farla breve, i ruolo dei neutroni nel nucleo è duplice: aumenta il contributo della forza nucleare forte e allontana i protoni quel tanto che basta per diminuire l'effetto della repulsione.

Saranno pure neutri, ma sono decisivi per la stabilità del nostro universo.

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[1] Il colore è puramente immaginario e non ha nulla a che fare con i colori che percepiscono i nostri occhi. [↵]