Rivelatori di particelle a LHC. Ottava parte: spray di particelle (ovvero, come si vedono quark e gluoni).

Nell'ultima puntata abbiamo discusso di sciami e calorimetri adronici. Verso la fine, accennavo al fatto che in fondo misurare adroni non è di per se molto interessante, perché quello che veramente ci serve è rivelare la produzione di quark, che sono (per quello che ne sappiamo oggi) elementari.

Il problema è che i quark non possono essere mai osservati da soli, come si può fare per esempio con elettroni e muoni. Perché? Le ragioni vanno cercate nel particolare tipo di interazione che i quark subiscono. I quark sono carichi elettricamente (sebbene abbiano una carica frazionaria rispetto a quella dell'elettrone) e subiscono dunque l'interazione elettromagnetica, mediata dai fotoni. Sono anche soggetti all'interazione debole, quella responsabile tra le altre cose dei decadimenti radioattivi, e dunque, tramite lo scambio di bosoni W o Z, si trasformano gli uni negli altri. Ma sopratutto, i quark subiscono l'interazione forte, quella che li tiene impacchettati insieme dentro a protoni, neutroni e in generale agli adroni, interazione che è mediata da quelle particelle che chiamiamo gluoni.

L'interazione forte è una forza molto particolare, che si comporta in modo abbastanza diverso dalle altre che abbiamo menzionato. Ha infatti la caratteristica bizzarra di diventare più intensa quando due quark si allontanano, e più debole quando si avvicinano. Immaginate i quark come tenuti insieme da elastici, la cui tensione aumenta se tentate di separarli, e diminuisce se li avvicinate. L'interazione forte si comporta dunque in modo opposto per esempio dall'interazione elettromagnetica, che diviene più intensa se avvicinate due particelle cariche, e più debole quando le allontanate. Le ragioni di questo comportamento sono troppo complicate per essere discusse qui (la cosa ha a che fare con il fatto che i gluoni hanno anche loro una "carica forte", un po' come se il fotone fosse anch'esso elettricamente carico), ma hanno delle conseguenze interessanti.

La prima conseguenza è che i quark sono sempre richiusi all'interno degli adroni: questa proprietà si chiama appunto confinamento. La seconda conseguenza è quel fenomeno che avviene quando tentate di separare due quark. Siccome l'intensità dell'interazione diventa sempre più forte, a un certo punto, mano a mano che i quark si separano, la densità di energia accumulata tra i due quark diventa tale da condensare in una coppia di nuovi quark, riconducendo il sistema a un insieme di adroni dove i quark sono di nuovo confinati. Se ripensate all'analogia dell'elastico, è come se a un certo punto la tensione diventasse talmente forte da rompere l'elastico, e come se alle estremità dei due monconi, rilassati dopo la rottura, apparissero due nuovi quark a chiuderne gli estremi. Questo fenomeno si chiama adronizzazione, e funziona più o meno così:

Se i quark prodotti inizialmente hanno abbastanza energia, prima di adronizzare perderanno un po' della loro energia in modo non troppo diverso da quello che fanno gli elettroni quanto producono un sciame elettromagnetico: emetteranno dei gluoni, che a loro volta potranno produrre delle coppie di quark-antiquark, o persino degli altri gluoni. Questo fenomeno si chiama sciame partonico:

E, un po' come un fotone può produrre uno sciame elettromagnetico, anche un gluone può produrre una sciame partonico.

Se adesso mettere insieme l'effetto dell'adronizzazione e quello dello sciame adronico, potere immaginare il caos provocato dalla produzione di un quark o di un gluone in una collisione tra due protoni: inizialmente il partone produrrà uno spray di quark e gluoni, che a un certo punto iniziaranno a condensare in uno spray di adroni. Qualcosa del genere:

Ognuno degli adroni nello spray, una volta arrivato nel rivelatore, lascia la sua traccia caratteristica, e in genere crea uno di quegli sciami adronici di cui abbiamo parlato nella puntata precedente. Il quark o il gluone iniziale si manifesta dunque come la sovrapposizione di svariati sciami adronici, a seconda di come sono evoluti lo sciame partonico e l'adronizzazione: vi lascio immaginare il caos. Il risultato finale  è quello che in gergo chiamiamo un jet, che assomigliano a qualcosa del genere nei rivelatori (in verde il calorimetro elettromagnetico di ATLAS, in rosso quello adronico):

(continua)