Il protone è uno dei mattoni di tutta la materia visibile nell’universo. Tra le sue proprietà intrinseche vi sono la carica elettrica, la massa e lo spin. Queste proprietà emergono dalla complessa dinamica dei loro componenti costitutivi – quark e gluoni – descritti dalla cromodinamica quantistica.
Poco si sa sulla densità di massa interna di un protone, che è dominata dall’energia trasportata dai gluoni. I gluoni sono difficili da ottenere usando lo scattering di elettroni perché non portano una carica elettromagnetica.
Ora, i fisici nucleari potrebbero finalmente aver individuato dove risiede gran parte della sua massa in un protone. Un recente esperimento condotto presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha rivelato il raggio di massa di un protone generato dalla forza forte mentre incolla insieme i quark che formano il protone.
Individuando la materia prodotta da questi gluoni, questa nuova misurazione potrebbe finalmente aver fatto luce sulla massa formata dai gluoni protonici. Si è scoperto che il nucleo del protone è il luogo in cui si trova il nucleo del raggio della materia. Il risultato sembra anche indicare che il raggio di carica ben misurato di un protone, che viene spesso utilizzato come proxy per la dimensione del protone, non è un buon indicatore della dimensione di questo nucleo.
Il portavoce dell’esperimento Mark Jones, presidente di Halls A&C al Jefferson Lab, ha dichiarato: “Il raggio di questa struttura di massa è più piccolo del raggio della carica, e quindi ci dà un senso della gerarchia della massa rispetto alla struttura di carica del nucleo.”
“Questa scoperta è stata un po’ una sorpresa”, ha detto Zainuddin Maziani, uno scienziato dell’Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia.
“Quello che abbiamo scoperto è qualcosa che non ci aspettavamo di ottenere in questo modo. L’obiettivo originale di questo esperimento era cercare un pentaquark segnalato dai ricercatori del CERN”.
L’esperimento è stato eseguito nella sala sperimentale C dell’Office of Science User Facility del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, la Continuous Electron Beam Acceleration Facility del Jefferson Laboratory. Nella sonda, elettroni da 10,6 GeV provenienti dall’acceleratore CEBAF sono stati diretti verso un piccolo blocco di rame. Rallentando o deviando gli elettroni, l’ammasso ha prodotto una radiazione lunga fino all’orlo sotto forma di fotoni. I protoni all’interno di un bersaglio fatto di idrogeno liquido sono stati colpiti da questo flusso di fotoni. Gli elettroni ei positroni lasciati da questi incontri sono stati rilevati dai rivelatori.
Gli sperimentatori erano interessati a quelle interazioni che producevano J/particelle tra nuclei di protoni di idrogeno. J/ è un mesone di breve durata fatto di quark charm/anti-magia. Una volta formato, decade rapidamente in una coppia elettrone/positrone.
Tra i miliardi di interazioni, gli sperimentatori hanno trovato circa 2.000 particelle/particelle nelle misurazioni della sezione trasversale di queste interazioni confermando le coppie elettrone/positrone simultanee.
Jones ha detto, “È simile a quello che abbiamo sempre fatto. Effettuando lo scattering elastico dell’elettrone sul protone, abbiamo ottenuto la distribuzione della carica del protone. In questo caso, abbiamo prodotto immagini esclusivamente del J/ di il protone, e abbiamo ottenuto la distribuzione dei gluoni. In questo caso, abbiamo prodotto immagini esclusive di J/ del protone, e otteniamo una distribuzione dei gluoni invece di una distribuzione della carica”.
Queste osservazioni CT da parte dei collaboratori possono essere successivamente incorporate in modelli teorici che determinano i fattori di forma della gravità gluonica di un protone. Le proprietà meccaniche di un protone, come la sua massa e pressione, sono descritte nei fattori di forma della gluonina.
Meziani ha detto, “C’erano due quantità, note come fattori di forma gravitazionale, che potevamo ricavare perché avevamo accesso a questi due modelli: il modello di distribuzione parziale generalizzata e il modello di dinamica quantistica tridimensionale (QCD). Abbiamo confrontato i risultati di ciascun modello ai calcoli della QCD reticolare.”
Gli sperimentatori hanno identificato il suddetto raggio di massa del gluone dominato da gluoni simili a gravitoni, nonché un raggio di attrazione più ampio per i gluoni scalari che si estendono oltre i quark in movimento e li vincolano da due possibili gruppi di tali quanti.
I dati indicano una distribuzione numerica dei gluoni che si estende significativamente oltre il raggio elettromagnetico del protone, che è uno dei risultati più interessanti del nostro esperimento.
Justin ha detto, “Per comprendere appieno queste nuove osservazioni e le loro implicazioni per la nostra comprensione del confinamento, avremo bisogno di una nuova generazione di esperimenti J/ad alta risoluzione”.
Jones Egli ha dettoE Una possibilità per un’ulteriore esplorazione di questo nuovo sconcertante risultato è il programma sperimentale del dispositivo Solenoidal Large Intensity, chiamato SoLID. Il programma SoLID è ancora in fase di proposta. Se approvato per andare avanti, gli esperimenti con il dispositivo SoLID fornirebbero nuove informazioni sul produzione di J/utilizzando il rivelatore SoLID.Sarà in grado di eseguire misurazioni ad alta risoluzione in questa regione.Uno dei pilastri principali di questo programma è la produzione di J/, insieme alle misurazioni della distribuzione del momento trasverso e alla misurazione della violazione profonda dell’equivalenza diffusione anelastica”.
L’esperimento è stato condotto per circa 30 giorni nel periodo febbraio-marzo 2019.
Riferimento rivista:
- Duran, B., Meziani, Z.E. Joosten, S. et al. Determina i fattori di forma della gravità gluonica di un protone. Natura 615, 813-816 (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05730-4
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