I fisici nucleari hanno compiuto una scoperta rivoluzionaria che getta nuova luce sull’influenza della gravità a livello quantistico, rivelando per la prima volta la distribuzione della forza forte all’interno dei protoni. Questa ricerca innovativa, che combina intuizioni teoriche storiche con dati sperimentali moderni, offre una comprensione senza precedenti della dinamica interna del protone e prepara il terreno per future scoperte nella scienza nucleare.
La mappa della forza forte nel protone
I fisici nucleari del Jefferson Lab hanno mappato la distribuzione della forza forte all’interno del protone, impiegando un quadro che si collega alla gravità, aprendo una nuova via per l’esplorazione. L’influenza della gravità è inequivocabilmente evidente in tutto l’universo osservabile. I suoi effetti sono osservati nelle orbite sincronizzate delle lune intorno ai pianeti, nelle comete che deviano dai loro percorsi a causa dell’attrazione gravitazionale di grandi stelle e nelle maestose spirali di enormi galassie. Questi fenomeni magnifici evidenziano il ruolo della gravità nelle scale più grandi della materia. Nel frattempo, i fisici nucleari stanno scoprendo i significativi contributi della gravità nelle scale più piccole della materia.
La ricerca e i dettagli su scala minore
La nuova ricerca condotta dai fisici nucleari presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti sta utilizzando un metodo che collega le teorie della gravitazione alle interazioni tra le particelle più piccole della materia per rivelare nuovi dettagli a questa scala minore. La ricerca ha ora rivelato, per la prima volta, un’istantanea della distribuzione della forza forte all’interno del protone. Questa istantanea dettaglia lo sforzo di taglio che la forza può esercitare sulle particelle di quark che compongono il protone. Il risultato è stato recentemente pubblicato in Reviews of Modern Physics.
Approfondimenti sulla struttura del protone
Secondo l’autore principale dello studio, Volker Burkert, scienziato principale del Jefferson Lab, la misurazione rivela informazioni sull’ambiente vissuto dai blocchi costitutivi del protone. I protoni sono costituiti da tre quark legati insieme dalla forza forte.
La forza intrinseca nel protone
“Al suo apice, questa è una forza di oltre quattro tonnellate che si dovrebbe applicare a un quark per estrarlo dal protone”, ha spiegato Burkert. “La natura, ovviamente, non ci permette di separare solo un quark dal protone a causa di una proprietà dei quark chiamata ‘colore’. Ci sono tre colori che mescolano i quark nel protone per farlo apparire incolore dall’esterno, un requisito per la sua esistenza nello spazio. Cercare di estrarre un quark colorato dal protone produrrà una coppia quark/antiquark incolore, un mesone, utilizzando l’energia che si mette nel tentativo di separare il quark, lasciando dietro un protone (o neutrone) incolore. Quindi, le 4 tonnellate sono un’illustrazione della forza che è intrinseca nel protone.”
Il risultato è solo la seconda delle proprietà meccaniche del protone ad essere misurata. Le proprietà meccaniche del protone includono la sua pressione interna (misurata nel 2018), la sua distribuzione di massa (dimensione fisica), il suo momento angolare e il suo sforzo di taglio (mostrato qui). Il risultato è stato reso possibile da una previsione vecchia di mezzo secolo e da dati vecchi di due decenni.
Le fondamenta teoriche e le svolte sperimentali
I dati vecchi di decenni provengono da esperimenti condotti con il Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) del Jefferson Lab, una struttura utente dell’Ufficio di Scienza del DOE. Un tipico esperimento CEBAF comporterebbe un elettrone energetico che interagisce con un’altra particella scambiando un pacchetto di energia e una unità di momento angolare chiamata fotone virtuale con la particella. L’energia dell’elettrone determina con quali particelle interagisce in questo modo e come rispondono.
Nell’esperimento, una forza ancora molto maggiore delle quattro tonnellate necessarie per estrarre una coppia quark/antiquark è stata applicata al protone dal fascio di elettroni altamente energetico che interagisce con il protone in un bersaglio di gas di idrogeno liquefatto.
Direzioni future e avanzamenti teorici
I ricercatori affermano che il loro prossimo passo è lavorare sull’estrazione delle informazioni di cui hanno bisogno dai dati DVCS esistenti per consentire la prima determinazione della dimensione meccanica del protone. Sperano anche di sfruttare esperimenti più recenti, con statistiche più elevate e con energie più elevate, che continuano la ricerca DVCS nel protone.