L'importanza del colore nei quark e la fisica delle particelle

Spin e orientazioni dei quark

A tutti e sei i tipi di quark, così come ai rispettivi antiquark, debba essere assegnato lo stesso spin, uguale a 1/2.

In questo modo, infatti, il momento angolare intrinseco di ogni unità elementare della materia adronica può avere due sole orientazioni rispetto a un asse prefissato, parallela e antiparallela. Un mesone di spin nullo è quindi costituito da due unità con spin reciprocamente antiparalleli, un barione di spin uguale a 1/2 è costituito da tre unità con uno spin anti-parallelo agli altri due, e così via.

Qual è il principio di esclusione di Pauli?

Come gli elettroni, anch'essi particelle con spin uguale a 1/2, i quark sono soggetti al principio di esclusione di Pauli: se entro un adrone si trovano due quark dello stesso tipo, questi devono differire per il numero quantico di spin, cioè avere spin reciprocamente antiparalleli.

Questa regola sembrava essere contraddetta dalla struttura della particella Ω-, nella quale tre quark s si combinano tutti con spin reciprocamente paralleli per fornire uno spin totale uguale a 3/2.

Poiché tuttavia, almeno in teoria, ogni difficoltà può essere superata, nel 1964 lo statunitense Oscar W. Greenberg assegnò ai quark un numero quantico supplementare, chiamato colore. Con l'aggiunta di questo nuovo attributo, ogni quark di un dato sapore può mostrarsi in tre varietà distinte per il colore, cioè B (blue, "azzurro"), G (green, "verde") e R (red,"rosso"). Agli antiquark corrispondono i tre anti-colori B, G, R.

Con questa "colorita" ipotesi, quando i quark si legano per formare il barione Ω-, non si trovano, anche se sono dello stesso tipo, nello stesso quantico, perché si differenziano per il colore.

Regole cromatiche per adroni

Con l'intruoduzione dell'etichetta cromatica il numero dei quark si triplica. I membri della famiglia diventano diciotto (con altrettante particelle) e per spiegare il meccanismo di formazione degli adroni è necessario aggiungere un'altra regola a quella che già conosciamo.

Ciascuno dei tre quark che compongono un barione deve avere colore diverso e ogni mesone deve essere formato da un quark di un colore e da un antiquark del corrispondente anticolore.

Con questa norma ogni adrone, nel suo complesso, è "incolore". La sovrapposizione delle tre tinte origina infatti una particella che non mostra alcuna traccia cromatica. Lo stesso avviene sovrapponendo un colore con il suo anticolore.

Ruolo fondamentale della policromia

Nonostante qualche iniziale perplessità, la "policromia", introdotta nel modello a quark come una forzata ipotesi per non violare una legge (il principio di esclusione) valida senza eccezioni, ha ormai assunto un ruolo fondamentale nella fisica delle particelle. Sotto molti aspetti esiste un'affinità fra la carica elettrica e la proprietà cromatica dei quark, per questo motivo chiamata anche carica di colore: mentre la prima origina la forza elettromagnetica, che tiene insieme l'edificio atomico, la seconda tiene uniti gli elementi di materia che costituiscono gli adroni.