Che cosa tiene insieme il nucleo degli atomi? E perché protoni e neutroni, i mattoni della materia ordinaria, mantengono la loro struttura nonostante siano formati da particelle ancora più piccole?
A rispondere è la cosiddetta forza forte, una delle quattro forze fondamentali della natura, insieme alla gravità, all’elettromagnetismo e alla forza debole. È la forza che agisce nel cuore della materia, tra i quark e i gluoni, le particelle elementari che compongono protoni e neutroni ed è all’origine della forza nucleare che lega protoni e neutroni nel nucleo atomico. Comprenderne con precisione l’intensità è essenziale per descrivere il comportamento della materia a livello subatomico e per interpretare i dati prodotti nei grandi acceleratori di particelle, come il Large Hadron Collider del CERN di Ginevra.
Un team internazionale di ricerca della ALPHA Collaboration ha ottenuto la misura più precisa finora dell’intensità della forza forte. Il risultato, pubblicato sulla rivista Nature, fornisce un nuovo valore di riferimento per uno dei parametri fondamentali del Modello Standard , la teoria che descrive le particelle elementari e le loro interazioni. Allo studio ha partecipato anche l’Università di Milano-Bicocca, con il contributo del professor Mattia Dalla Brida, del Dipartimento di Fisica “Giuseppe Occhialini”.
Misurare questa forza non è semplice. I quark e i gluoni, infatti, non possono essere osservati isolatamente: restano “confinati” all’interno di particelle composte, come protoni e neutroni. Questo rende particolarmente difficile determinare direttamente quanto sia intensa la loro interazione. Per superare il problema, i ricercatori hanno utilizzato simulazioni numeriche avanzate della cromodinamica quantistica, la teoria che descrive la forza forte, eseguite su supercomputer ad alte prestazioni.
In pratica, nelle simulazioni, lo spazio e il tempo vengono rappresentati come una griglia, o “reticolo”, sulla quale è possibile calcolare il comportamento di quark e gluoni partendo dalle leggi fondamentali della fisica. Questo approccio permette di eliminare il ricorso a modelli approssimati e di ottenere una misura più solida e controllata.
La nuova determinazione raggiunge una precisione circa doppia rispetto alle migliori misure disponibili finora. Questo risultato potrà migliorare l’analisi degli esperimenti di fisica delle particelle, in particolare quelli condotti al CERN, e contribuire a testare con maggiore accuratezza il Modello Standard. Una misura più precisa della forza forte può infatti aiutare i fisici a distinguere meglio ciò che è già previsto dalle teorie attuali da eventuali piccoli segnali di nuova fisica.
Lo studio rappresenta anche un avanzamento importante per il calcolo scientifico ad alte prestazioni applicato alla fisica teorica: mostra come simulazioni numeriche sempre più raffinate possano contribuire a rispondere a domande fondamentali sulla struttura della materia.