Un team di ricerca internazionale ha ottenuto la determinazione più precisa mai realizzata della costante di accoppiamento forte αₛ, il parametro fondamentale che quantifica l’intensità dell’interazione tra quark e gluoni, i costituenti elementari della materia nucleare. I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista Nature: https://www.nature.com/articles/s41586-026-10339-4
Lo studio, realizzato dalla ALPHA Collaboration, ha visto la partecipazione dell’Università di Milano-Bicocca attraverso il contributo del professor Mattia Dalla Brida, membro del gruppo di fisica teorica e QCD su reticolo del Dipartimento di Fisica.
La nuova determinazione raggiunge una precisione circa doppia rispetto a quella ottenuta combinando le più accurate misure sperimentali disponibili, definendo così un nuovo valore di riferimento per il Modello Standard della fisica delle particelle.
Una delle quattro forze fondamentali della natura
L’interazione forte è una delle quattro forze fondamentali della natura, insieme alla gravità, all’elettromagnetismo e all’interazione debole. È responsabile della coesione dei nuclei atomici e determina le proprietà di protoni e neutroni. Inoltre, svolge un ruolo centrale nei processi studiati nei grandi acceleratori di particelle, come le collisioni protone-protone del Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra.
A livello elementare, l’interazione forte agisce tra i quark attraverso lo scambio di gluoni. Tuttavia, quark e gluoni non possono essere osservati isolatamente: esistono soltanto in stati legati, detti adroni, come protoni e neutroni. Questo fenomeno, noto come confinamento, rappresenta una delle principali difficoltà nello studio quantitativo dell’interazione forte.
La costante di accoppiamento forte αₛ quantifica l’intensità dell’interazione tra quark e gluoni. Determinarne sperimentalmente il valore con elevata precisione è però particolarmente complesso perché, come già osservato, quark e gluoni non possono essere rivelati come particelle libere. Le determinazioni sperimentali dipendono quindi inevitabilmente da modelli teorici che descrivono il confinamento, introducendo significative fonti di incertezza.
Simulazioni numeriche della cromodinamica quantistica
Per superare queste difficoltà, il team di ricercatori ha utilizzato simulazioni numeriche della cromodinamica quantistica (QCD), la teoria che descrive l’interazione forte, formulata su un reticolo spazio-temporale (Lattice QCD) ed eseguite su supercomputer ad alte prestazioni (HPC).
In questo approccio, lo spazio-tempo viene discretizzato su una griglia, consentendo di calcolare direttamente dalla teoria fondamentale le interazioni tra quark e gluoni. In questo modo, il confinamento emerge in maniera dinamica dalla soluzione numerica delle equazioni della QCD, senza la necessità di introdurre modelli fenomenologici.
Una delle principali sfide di questo approccio deriva dal fatto che l’intensità dell’interazione varia con l’energia (si veda Fig. 1) e che non è semplice trattare numericamente regimi energetici molto distanti tra loro.
In questo lavoro, i ricercatori hanno sviluppato metodi teorici e numerici all’avanguardia che, combinati con l’uso di grandi risorse computazionali, hanno reso possibile collegare in modo accurato scale energetiche molto diverse: dalla fisica degli adroni a basse energie fino ai processi ad alta energia accessibili negli esperimenti del LHC.
In questo quadro, la costante di accoppiamento viene determinata a partire dallo studio degli stati legati di quark e gluoni, noti sperimentalmente con grande precisione, e successivamente “trasportata” verso scale energetiche più elevate tramite l’evoluzione teorica prevista dalla QCD, dove viene impiegata nelle previsioni e nell’analisi dei dati degli esperimenti ad alta energia.
Implicazioni per la fisica delle particelle
La nuova precisione della costante di accoppiamento forte avrà un impatto diretto sull’analisi dei dati degli esperimenti al CERN, migliorando la capacità di interpretare le misure raccolte e di effettuare test sempre più stringenti del Modello Standard. In particolare, i risultati assumono rilevanza per gli studi di precisione del bosone di Higgs e per la ricerca di possibili segnali di nuova fisica oltre le teorie attualmente consolidate.
Il lavoro rappresenta inoltre un significativo progresso nel campo del calcolo scientifico ad alte prestazioni applicato alla fisica teorica, confermando il ruolo centrale delle simulazioni numeriche nello studio delle interazioni fondamentali della natura.