TEORIA DEI CAMPI E MECCANICA QUANTISTICA

La teoria quantistica dei campi è il quadro teorico usato per descrivere le particelle elementari e prevederne il comportamento. Sviluppata a partire dagli anni ’20 del secolo scorso, la teoria quantistica dei campi unisce in un quadro coerente i principi della meccanica quantistica e della relatività ristretta. Si tratta di una delle più belle e profonde conquiste della fisica moderna, grazie alla quale comprendiamo le leggi che governano i componenti elementari della materia.
In questa teoria, le particelle sono descritte come eccitazioni di campi che si estendono in tutto lo spaziotempo. I campi sono governati da una Lagrangiana, una funzione che determina sia il comportamento dei campi non interagenti che le loro interazioni.
La teoria quantistica dei campi descrive con successo tre delle quattro interazioni fondamentali della natura: l’elettromagnetismo, la forza nucleare forte e la forza nucleare debole.

Per ognuna di queste interazioni, esiste una teoria quantistica dei campi che ne spiega le proprietà e il comportamento: l’elettrodinamica quantistica (QED) descrive l’interazione tra i fotoni, i quanti del campo elettromagnetico, e le particelle cariche, ad esempio gli elettroni; la cromodinamica quantistica (QCD) descrive l’interazione tra i gluoni, le particelle mediatrici dell’interazione forte, e i quark, i costituenti di protoni e neutroni; la teoria elettrodebole fornisce una descrizione unitaria dell’interazione elettromagnetica e dell’interazione debole, mediata dai bosoni W e Z, responsabile dei decadimenti radioattivi dei nuclei.
Tutte queste teorie appartengono una classe particolarmente importante di teorie quantistiche dei campi che prende il nome di teorie di “gauge”. Sotto l’incantesimo del principio di “gauge” (citando il premio Nobel Gerard ‘t Hooft), le interazioni fondamentali sono ottenute imponendo opportune simmetrie (di “gauge”) sulla Lagrangiana che descrive i campi non interagenti. Simmetrie di “gauge” e interazioni fondamentali, con le relative particelle mediatrici, sono dunque intimamente collegate.

Illustrazione del quark-gluon plasma (© CERN)

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