La Fisica delle particelle elementari

La QED ha spiegato in particolare il reale indebolimento della carica elettromagnetica con la distanza. La carica elettrica trasportata da un oggetto è una quantità fissa e definita. Quando però una carica è circondata da altre cariche liberamente mobili, i suoi effetti possono variare. Per esempio, se un elettrone entra in un mezzo composto da molecole che hanno estremità cariche positivamente e negativamente, polarizzerà quelle molecole. L'elettrone respingerà le estremità negative e attirerà quelle positive, finendo col circondarsi di uno schermo di carica positiva. Il risultato della polarizzazione è quello di ridurre la carica efficace dell'elettrone di una quantità che aumenta con la distanza. La carica totale dell'elettrone appare solo quando si esamina l'elettrone a distanza piccolissima, in scala submolecolare e oltre lo schermo delle cariche positive.

Polarizzazione del vuoto nell'elettrodinamica. Un elettrone (cerchietto più grande) si circonda di positroni virtuali, che ne schermano in parte la carica elettrica.

Un effetto di schermatura di questo tipo non dovrebbe ovviamente esistere nel vuoto, dove non vi sono molecole da polarizzare. Il principio di indeterminazione di Werner Heisenberg suggerisce però che il vuoto non sia veramente vuoto. In base ad esso, l'indeterminazione riguardo l'energia di un sistema aumenta quando il sistema è esaminato su scale temporali sempre più brevi. Le particelle possono violare il principio di conservazione dell'energia per istanti tanto brevi da non essere apprezzabili; in realtà, esse possono materializzarsi dal nulla. Nella QED il vuoto è visto come un complicato mezzo in continua agitazione, nel quale hanno una fugace esistenza coppie di particelle cariche <virtuali>, in particolare elettroni e positroni. Queste effimere fluttuazioni del vuoto sono polarizzabili alla stessa stregua delle molecole di un gas o di un liquido. La QED prevede, di conseguenza, che anche nel vuoto la carica elettrica possa essere schermata e sensibilmente ridotta a grandi distanze.

Werner Heisenberg

Anche l'interazione forte, che agisce sui quark e che si basa sulla carica di colore, varia con la distanza, anche se in modo opposto: sembra che la carica di colore, anziché indebolirsi con la distanza, diventi più intensa. Soltanto a distanze inferiori a circa 10^-13 centimetri - che è il diametro di un protone - diminuisce tanto da concedere ai quark, reciprocamente legati, un grado di indipendenza. Eppure la spiegazione di questo caratteristico comportamento si trova in una teoria strettamente modellata sulla QED. Si tratta della cosiddetta cromodinamica quantistica (QCD), la teoria di gauge delle interazioni forte.

Come la QED, la QCD postula portatori di forza che mediano le interazioni. I quark colorati interagiscono scambiandosi entità chiamate gluoni, allo stesso modo in cui le particelle cariche si scambiano fotoni. Però, mentre la QED ammette soltanto un tipo di fotone, la QCD ammette otto tipi di gluoni. A differenza dei fotoni della QED, che non modificano la carica delle particelle interagenti, l'emissione o l'assorbimento di un gluone può modificare il colore di un quark; ciascuno degli otto gluoni media una diversa trasformazione . 

Il gluone mediatore è a sua volta colorato ed è dotato sia di un colore sia di un anticolore.

Il fatto che i gluoni posseggano una carica di colore, diversamente dai fotoni elettricamente neutri della QED, spiega i diversi comportamenti sulla distanza delle interazioni elettromagnetica e forte. Nella QCD sono due gli effetti competitivi che governano la carica efficace: la schermatura analoga a quella della QED e un nuovo effetto chiamato <mascheramento>. La schermatura, o polarizzazione del vuoto, è simile a quella delle interazioni elettromagnetiche. Il vuoto della QCD è popolato da coppie di quark e antiquark virtuali che in un batter d'occhio nascono e muoiono. Se nel vuoto si introduce un quark, questo attirerà le particelle virtuali dotate di cariche di colore opposte; quelle dotate della stessa carica verranno invece respinte. Il colore del quark risulterà perciò nascosto da una nube di colori differenti e ciò si traduce nella riduzione di carica efficace del quark a distanze maggiori.